结合分子模拟和多种实验手段探讨碳纳米颗粒调控蛋白错误折叠和聚集的分子机制

Around the subject how the nanoparticles influence protein misfolding and aggregation, we will carry out the following work to uncover the role carbon nanoparticles act in the process of protein fibrillation. Firstly, by combining fluorescence spectrum, circular dichroism spectra and molecular dynamics simulation, the influence of carbon nanotube, graphene and fullerene to the structural characteristics and misfolding of several proteins which are easy to misfold, including prion, beta-amyloid, islet amyloid polypeptide precursor, and the cooresponding molecular mechanism will be explored. Then, the influence of nanoparticles to the nucleation of the studied protein will be probed by using multi-scale molecular dynamics simulation and GPU accelareted technique. Furthermore, the effect of nanoparticles on the aggregation of misfolded protein will be studied deeply by applying AFM, cryo-electron microscopy solid NMR etc and molecular modeling. Based on the obtained results, how nanopaticles affect the fibrillation process of the studied proteins will be explained clearly, which provide the theoretical ground for the evaluation of toxicity and safety of nanoparticles. It will also establish theoretical base for studing and conquering protein misfloding diseases. In a word, this project has great theoretical and application values both for the safe application of nanoparticles in biomedical field and for conquering protein misfolding diseases.

围绕纳米颗粒如何影响蛋白错误折叠和聚集这一主题，本项目研究将从以下几个方面全面揭开碳纳米颗粒在蛋白纤维化过程中所扮演的角色：综合应用荧光光谱、圆二色谱及分子动力学模拟方法探讨碳纳米管、石墨烯及富勒烯对几种易发生错误折叠蛋白（朊病毒、?-淀粉样蛋白及胰岛淀粉样多肽前体）结构特征及错误折叠过程的影响并分析其暗含的分子机制；基于GPU环境及多尺度分子动力学模拟从分子水平阐明上述碳纳米材料对研究的蛋白成核过程的影响；应用原子力显微镜、冷冻电镜、固体核磁等表征手段结合分子模拟进一步探讨纳米颗粒对错误折叠蛋白聚集行为的影响。基于实验的结果，清楚地阐释碳纳米颗粒究竟是加速还是减缓蛋白纤维化过程，为评价碳纳米颗粒在体内的毒性及安全性提供理论依据，为研究和战胜蛋白错误折叠疾病奠定理论基础。总之，本项目研究无论对于纳米材料在生命医药领域的安全应用还是对于人类抗击蛋白错误折叠疾病都具有重大的理论和实际应用价值。

本项目围绕纳米颗粒如何影响蛋白错误折叠和聚集这一主题，首先探讨了石墨烯对典型不同二级结构蛋白的结构特征的影响，结果表明石墨烯对不同二级结构的蛋白影响不同，α-helix容易被诱导发生错误折叠，而β-sheet相对比较稳定。进一步通过分子动力学模拟、荧光淬灭、圆二色谱等实验研究了石墨烯及小分子抑制剂、氨基酸突变影响朊蛋白错误折叠的分子机理。我们发现石墨烯确实可以诱导朊蛋白的错误折叠。显式溶剂中的分子动力学模拟表明，朊蛋白在石墨烯的影响下进行了一定的构象重排，隐式溶剂中的模拟表明朊蛋白延展到石墨烯的表面，发生了完全的错误折叠。在此基础上，结合分子动力学模拟和硫黄素T（ThT）荧光实验探讨了易发生错误折叠蛋白质及其关键片段的折叠和聚集机理以及三种常见碳纳米材料对其聚集过程的影响。通过硫代黄色素T（ThT）荧光实验，我们发现碳纳米管和石墨烯能明显抑制PrP117-231的聚集，并且石墨烯的抑制作用更为明显。分子动力学模拟的结果表明没有碳纳米颗粒存在的情况下，PrP127-147四聚体能形成明显的β-sheet结构，而在有碳纳米管和石墨烯存在时，PrP127-147主要以无规则卷曲的结构存在，表明碳纳米颗粒可以抑制PrP127-147的聚集。通过探讨三种碳纳米材料（石墨烯、单壁碳纳米管和C60）对hIAPP22-28低聚体的形成以及对其自组装过程的影响，我们发现不同碳纳米颗粒可从不同程度上抑制IAPP22-28的聚集：石墨烯 > 单壁碳纳米管 > C60，其结果差异可能来源于纳米颗粒的不同表面积和表面曲率。经过四年的研究工作，已顺利完成项目的计划内容。总结上述研究结果，我们发现碳纳米颗粒可以诱导本身具有较好的三维结构的蛋白发生错误折叠，但是碳纳米颗粒会把部分错误折叠的蛋白稳定在非途径构象而进一步抑制相关蛋白的聚集。这些结果可以为评价碳纳米颗粒在体内的毒性及安全性提供理论依据，对于纳米材料在生命医药领域的安全应用具有重要的理论和实际应用价值。结合该项目的完成，发表SCI论文14篇，分别发表在相关领域的权威期刊如Physical Chemistry Chemical Physics, Scientific Reports, Journal of Physical Chemistry B, BBA-General Subjects等上。