基于短肽聚集结构的蛋白错折叠毒性机理的研究

Amyloid diposit of proteins at membrane surface is a characteristic feature of degenerative diseases. Multiple lines of evidence indicate that the early formed oligomers rather than the matured amyloid fibrils are the main cytotoxic species and a common pathogenic element of amyloid diseases. However, the details of the oligomeric structure and morphology of the amyloid proteins and the mechanism underlying the cytotoxicity induced by the amyloid protein aggregation are poorly understood due to a short lifetime of the oligomeric intermediates and the difficulty in the measurement of the oligomers using a conventional method. On the basis of the hypothesis that the formation mechnism of the toxic protein oligomers is independent of the protein sequence, we will use a series of short peptides with different lengths and properties to prepare different structures and morphologies of oligomers, and study their structures and morphologies, the interactions with different compositions of liposomes and their effects on the membrane integration by using various spectroscopic, imaging and biophysical methods. The use of short peptides replacing for the longer sequence of proteins/polypeptides increases the stability of oligomers, making the study of oligomeric intermediates possible. We hope that we can gain insight into the common features of the membrane-disruptive oligomers in the structure and morphology, and the roles of some membrane components in regulating the formation of the oligomers and the peptide-membrane interactions through this research project. This project is significant for understanding the mechanism of the cytotoxicity induced by the protein misfolding.

蛋白质在细胞表面形成淀粉样沉积是一些退行性疾病的主要特征。大量的证据表明蛋白早期形成的寡聚体而不是成熟的淀粉样纤维是产生细胞毒性的主要种类，也是所有淀粉质疾病的致病元素。但是，由于蛋白寡聚中间体寿命很短，常规方法很难检测到，所以对蛋白的毒性寡聚体的结构和形貌及细胞毒性机理知之甚少。基于由实验证据支持的蛋白毒性寡聚体的形成机理与蛋白质序列无关的假设，本项目拟选取不同长度和性质的短肽制备不同结构和形态的寡聚体，用各种谱学、影像学和生物物理方法研究其结构和形貌、与不同组成脂质体（如含有胆固醇的脂质体）的相互作用及对磷脂膜和细胞膜的影响。研究中短肽的采用延长了寡聚体的稳定时间，使寡聚中间体的研究成为可能。期望通过本项目的研究能够找出对膜有破坏作用的肽寡聚体在聚集结构和形态上的主要特性，不同膜成分对肽寡聚体的形成和膜-肽相互作用的调节作用。本研究项目对揭示蛋白错折叠的细胞毒性机理具有重要的科学意义。

阿尔茨海默症、II型糖尿病和其它一些与老龄化相关的退行性疾病都与蛋白质的错误折叠以及由此产生的不溶性蛋白质在细胞上的沉积相关，尽管与这些疾病有关的各种淀粉样蛋白具有不同的氨基酸序列，但它们可能有着相似的聚集机制及诱导细胞膜损伤的毒性机理。大量的证据表明破坏细胞膜并产生毒性的不是成熟的纤维，而是在聚集过程的早期阶段形成的蛋白质寡聚体，因此研究淀粉样蛋白寡聚体结构和寡聚体破坏脂膜能力之间的关系对了解淀粉样蛋白的毒性机理有重要的意义。本项目选取不同长度和不同氨基酸序列的短肽制备了不同种类的寡聚体，用各种谱学、影像学和生物物理方法研究了寡聚体的聚集结构、聚集性质、对磷脂膜的破坏以及与脂质体中胆固醇成分的特异性相互作用。我们的研究结果表明，就单个寡聚体而言，小的聚集体尺寸、大的疏水残基暴露、大的肽链伸展程度、无序的肽链排列、松散的肽链堆积都会增强寡聚体破坏磷脂膜的能力。而在淀粉样肽纤维化聚集过程中，寡聚体对膜的破坏不仅与单个寡聚体的破坏能力相关，还与参与破坏的寡聚体的数量相关，破坏能力较小的寡聚体在数量足够大时也可能比破坏能力较大的寡聚体产生更大的膜损伤作用，实际观测到的膜损伤结果由这两个影响因素之间的竞争决定。我们利用由交替的左旋和右旋氨基酸组成的短肽首次观测到了由α折叠结构组成的纤维，并发现了核心区域α折叠结构的形成对人胰岛淀粉样多肽hIAPP聚集的促进作用和对hIAPP诱导磷脂膜损伤的抑制作用。我们发现位于15位的苯丙氨酸可以介导hIAPP与磷脂膜中的胆固醇发生特异性识别，胆固醇聚集形成微区有利于hIAPP与胆固醇的识别，并促进hIAPP与磷脂膜的相互作用以及对磷脂膜的破坏。. 本研究项目对揭示淀粉样肽寡聚体产生脂膜破坏毒性的主要聚集结构性质以及破坏脂膜的机理有重要科学意义，也为了解胆固醇在hIAPP脂膜毒性中的作用提供了一个新的思路。