生物电场和膜中的乙型淀粉样肽计算机模拟研究

It is widely believed that the Alzheimer’s disease is caused by fibril formation of the amyloid β protein (Aβ) in human brains. Although focused by scientists over the world for decades, the ultimate cause of the formation of Aβ fibrils is still under intense investigation. Recently, there has been more and more evidence from clinical and laboratory experiments that electric fields can modify the aggregation dynamics of proteins like Aβ and even have significant effects on Alzheimer’s disease. All these mean that electric fields indeed have significant effect on the aggregation dynamics of Aβ. On the other hand, human bodies have got naturally existing electric fields, for instance, the transmembrane electric field (TMEF), a field across the membrane resulting from the ionic level difference between the inside and outside of the cell. This TMEF is quite strong and has potential to modify the dynamics of Aβ, as shown by our data published very recently. Because TMEF exists inside a membrane, and many components of a membrane have drastically different electric properties, we will use molecular dynamics simulations to show how TMEF alters the Aβ dynamics indirectly through membrane lipids besides the direct effect of TMEF upon the peptides. Furthermore, by a combination of computational and theoretical investigation, we will thoroughly study the impact of TMEF on the nucleation process of Aβ and the stability of some important oligomers.

乙型淀粉样肽(Aβ)在人脑中的聚集与阿尔茨海默病关系密切，但Aβ的聚集机制尚未被澄清。近期的调查和实验数据表明，一种新的因素－电场－在阿尔茨海默病的研究中不容忽视。大量科学数据显示电场对包括Aβ在内的许多蛋白的结构和动力学行为有明显调制作用，而且一定模式的外加电场可以影响阿尔茨海默病的病情变化。虽然人脑中的Aβ存在于各种生物电环境中，但是这些电场对Aβ聚集动力学的影响却鲜见报导。而跨膜电场是一种存在于人体细胞膜内的生物电场，最新发表的数据显示该场与Aβ动力学紧密相关。本项目拟使用全原子分子动力学模拟方法探索人体中的跨膜电场对Aβ动力学的影响。鉴于跨膜电场存在于细胞膜内，而细胞膜的不同组成成份对Aβ有不同作用，我们将揭示跨膜电场如何通过细胞膜对Aβ动力学进行二级调制作用。通过理论探索和计算机模拟，本项目拟揭示在跨膜电场中一些重要膜成份对Aβ的调制机制、Aβ的成核机制以及Aβ低聚体的稳定性。

本项目以乙型淀粉样肽及其前体蛋白在人脑中的动力学为核心，主要研究了细胞膜不同组分以及不同的突变对乙型淀粉样肽(Aβ)和淀粉样前体蛋白跨膜片段折叠动力学的影响。膜成分和多肽一级结构特性的不同会改变多肽存在环境中的电场，继而对其动力学和结构变化有重要影响。第一，我们特别研究了不同的细胞膜，尤其是富含DHA(二十二碳六烯酸，俗称脑黄金)和ARA(花生四烯酸)的细胞膜中的多肽动力学。我们发现从α螺旋结构出发时，在DHA和ARA膜中的Aβ二聚体和C99二聚体会产生新的二聚结构。富含ARA的细胞膜会诱导Aβ中GxxxG基序的重新定向和C99中G37和G38处扭结结构的增加，而这种结构对淀粉样前体蛋白的裂解很重要，从而对ARA促进Aβ的产生提供了物理层面上的解释。另外，富含DHA的膜也影响Aβ和C99二聚态的构象，但不能从构象集合解释DHA如何减少Aβ的产生。从β片状结构出发的Aβ二聚体的数据显示，富含ARA的膜会促使更多的无序Aβ结构的形成，而富含DHA的膜会给出相当相似的Aβ结构。此结果表明临床上观察到的ARA会增加患阿尔茨海默病的风险似乎并不是由膜中较多的β结构引起的。最后，在具备DHA或者ARA这两种脂肪酸和POPC的混合膜中，从β片状结构开始的二聚体会形成Aβ的另一构象集合。这些研究表明随着年龄的增长，分子磷脂的丰度发生变化会调节膜内的Aβ聚集过程。第二，本项目还研究了淀粉样前体蛋白跨膜片段C55在A2T和D23N这两种重要的变异影响下的结构和特异性。选择这两种突变体的原因是具备A2T变异的人群罹患阿尔茨海默病的概率较低，但是具备D23N变异的人有较高的概率在年龄不是很大的时候就罹患阿尔茨海默病。本项目发现A2T突变体会加强膜外部分肽链的二聚化，但是会促进膜内部分肽链的无序化。与之形成鲜明对比的是D23N突变体会削弱膜内部分肽链的二聚化，而对膜外部分而言，它会改变其螺旋结构。这些结果表明A2T和D23N这两种重要的突变体会改变C55的构型和二聚趋势，对揭示为何A2T和D23N这两种突变在阿尔茨海默病中有相反效果起到推动作用。