Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu tính toán protein amyloid beta - Giai đoạn ban đầu tập hợp
Luận án tiến sĩ nghiên cứu tính toán protein amyloid beta. Phân tích giai đoạn tập hợp protein, cấu trúc dimer và vai trò oligomer trong bệnh Alzheimer.
Boston University
Chemistry
Luan An
Luận án
Năm xuất bản
Số trang
165
Thời gian đọc
25 phút
Lượt xem
0
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
50 Point
Mục lục chi tiết
Tóm tắt nội dung
I. Protein Amyloid Beta Và Bệnh Alzheimer
Protein amyloid beta đóng vai trò then chốt trong sự phát triển của bệnh Alzheimer. Nghiên cứu này tập trung vào các giai đoạn đầu của quá trình tập hợp protein. Mục tiêu chính là xác định tính ổn định của monomer và oligomer bậc thấp. Các cấu trúc này đóng vai trò trung gian trên con đường hình thành sợi amyloid lớn hơn. Hiểu rõ cơ chế này giúp phát triển phương pháp điều trị bệnh Alzheimer hiệu quả hơn.
1.1. Vai Trò Của Protein Amyloid Beta Trong Bệnh Alzheimer
Protein amyloid beta là thành phần chính gây bệnh Alzheimer. Quá trình tích tụ protein này tạo nên các mảng amyloid đặc trưng. Các mảng này phá hủy chức năng thần kinh não. Nghiên cứu cho thấy oligomer độc hại gây tổn thương tế bào sớm nhất. Việc ngăn chặn hình thành oligomer có thể làm chậm tiến triển bệnh.
1.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Giai Đoạn Đầu Tập Hợp
Giai đoạn đầu của quá trình tập hợp protein là then chốt. Monomer và dimer là các cấu trúc trung gian quan trọng. Chúng quyết định hướng phát triển của toàn bộ quá trình. Nghiên cứu này sử dụng mô phỏng phân tử để theo dõi quá trình hình thành. Kết quả giúp xác định các điểm can thiệp điều trị tiềm năng.
1.3. Phương Pháp Nghiên Cứu Tính Toán
Nghiên cứu áp dụng động lực học phân tử cổ điển. Phương pháp umbrella sampling tính toán thế năng trung bình. Cả mô hình dung môi tường minh và ẩn đều được sử dụng. Mô hình TIP3P mô phỏng môi trường nước chính xác. Các mô hình liên tục điện môi giúp tăng thời gian mô phỏng.
II. Mô Phỏng Phân Tử Protein Aβ10 35
Đoạn protein Aβ10-35 được chọn làm đối tượng nghiên cứu chính. Nghiên cứu tạo ra nhiều cấu trúc dimer khả dĩ dựa trên nguyên tắc bổ sung hình dạng. Các cấu trúc được đánh giá qua năng lượng khử dung môi và tương tác tĩnh điện. Phương pháp này xác định cấu trúc dimer ổn định nhất. Kết quả so sánh cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa các cấu trúc.
2.1. Tạo Cấu Trúc Dimer Từ Bổ Sung Hình Dạng
Giao thức dựa trên bổ sung hình dạng tạo ra tập hợp cấu trúc dimer. Phương pháp này đảm bảo sự khớp nối tối ưu giữa hai monomer. Năng lượng khử dung môi được tính toán nhanh chóng. Năng lượng tương tác tĩnh điện bổ sung thông tin quan trọng. Cấu trúc ổn định nhất được chọn để phân tích sâu hơn.
2.2. Tính Toán Thế Năng Trung Bình PMF
Phương pháp umbrella sampling tính toán thế năng trung bình chính xác. PMF mô tả năng lượng tự do trong quá trình dimerization. Mô phỏng được thực hiện trong dung môi nước. Kết quả cho thấy hàng rào năng lượng và trạng thái ổn định. Hai cấu trúc dimer khả dĩ được so sánh trực tiếp.
2.3. Phân Tích Tính Ổn Định Cấu Trúc Dimer
Quỹ đạo động lực học phân tử xuất phát từ hai cấu trúc dimer. Phân tích theo dõi sự thay đổi cấu trúc theo thời gian. Độ ổn định được đánh giá qua nhiều thông số. Cấu trúc bậc hai protein thay đổi trong quá trình mô phỏng. Kết quả xác định cấu trúc dimer có khả năng tồn tại lâu nhất.
III. So Sánh Mô Hình Dung Môi Ẩn Và Tường Minh
Nghiên cứu so sánh ba mô hình dung môi khác nhau với mô hình TIP3P tường minh. Mục tiêu là tăng thời gian mô phỏng mà vẫn giữ độ chính xác. Một mô hình kinh nghiệm và hai mô hình liên tục điện môi được thử nghiệm. Cấu trúc bậc ba protein từ các mô hình được so sánh chi tiết. Kết quả cho thấy ưu nhược điểm của từng phương pháp.
3.1. Mô Hình Dung Môi TIP3P Tường Minh
Mô hình TIP3P mô phỏng phân tử nước một cách chi tiết. Độ chính xác cao nhưng tốn nhiều tài nguyên tính toán. Mỗi phân tử nước được biểu diễn tường minh. Tương tác giữa protein và nước được mô tả chính xác. Đây là tiêu chuẩn vàng để so sánh các mô hình khác.
3.2. Mô Hình Dung Môi Liên Tục Điện Môi
Hai mô hình liên tục điện môi được áp dụng trong nghiên cứu. Chúng xử lý dung môi như môi trường liên tục. Tốc độ tính toán nhanh hơn nhiều so với mô hình tường minh. Tuy nhiên độ chính xác có thể giảm ở một số trường hợp. Phương pháp này cho phép mô phỏng thời gian dài hơn.
3.3. So Sánh Cấu Trúc Protein Từ Các Mô Hình
Cấu trúc protein từ các mô hình khác nhau được so sánh trực tiếp. Cấu trúc bậc hai và bậc ba đều được phân tích. Sự khác biệt chủ yếu xuất hiện ở vùng linh động. Một số vùng bảo toàn cấu trúc tốt qua các mô hình. Kết quả giúp lựa chọn mô hình phù hợp cho từng mục đích nghiên cứu.
IV. Cầu Muối D23 K28 Và Hình Thành Cấu Trúc Beta
Vùng cầu muối D23-K28 được xác định là điểm quan trọng. Kết quả thực nghiệm gợi ý đây là vị trí tạo nhân cho cấu trúc beta. Nghiên cứu theo dõi động lực học của tiếp xúc này. Sự hình thành và phá vỡ cầu muối được phân tích chi tiết. Vai trò của vùng này trong tạo sợi amyloid được đánh giá nghiêm túc.
4.1. Vai Trò Của Cầu Muối Trong Tập Hợp Protein
Cầu muối D23-K28 tạo liên kết tĩnh điện mạnh. Liên kết này ổn định cấu trúc cục bộ của protein. Thực nghiệm cho thấy vùng này quan trọng cho quá trình tập hợp. Mô phỏng phân tử theo dõi sự hình thành cầu muối. Kết quả xác nhận vai trò then chốt của tương tác này.
4.2. Động Lực Học Của Tiếp Xúc D23 K28
Động lực học phân tử theo dõi khoảng cách giữa D23 và K28. Cầu muối hình thành và phá vỡ nhiều lần trong mô phỏng. Thời gian tồn tại của liên kết được thống kê. Năng lượng liên kết thay đổi theo cấu hình protein. Phân tích này làm rõ tính động của vùng quan trọng.
4.3. Vị Trí Tạo Nhân Cho Cấu Trúc Beta
Vùng D23-K28 có thể là điểm khởi đầu hình thành cấu trúc beta. Cấu trúc bậc hai thay đổi từ xoắn alpha sang tấm beta. Quá trình này đặc trưng cho sợi amyloid trưởng thành. Mô phỏng quan sát sự chuyển đổi cấu trúc. Kết quả hỗ trợ giả thuyết về vai trò tạo nhân.
V. Nghiên Cứu Đoạn Protein Aβ21 30
Đoạn Aβ21-30 được nghiên cứu bằng mô phỏng trong dung môi nước tường minh. Vùng VGSN(24-27) nhận được sự chú ý đặc biệt. Đo đạc NMR trạng thái rắn cho thấy vùng này hình thành khúc quanh. Cấu trúc khúc quanh này ổn định protein trong sợi amyloid. Nghiên cứu phân tích chi tiết cấu trúc và động lực học của vùng này.
5.1. Vùng VGSN 24 27 Và Cấu Trúc Khúc Quanh
Vùng VGSN bao gồm bốn amino acid liên tiếp. Thực nghiệm NMR phát hiện cấu trúc khúc quanh ở đây. Khúc quanh này quan trọng cho cấu trúc sợi amyloid. Mô phỏng phân tử tái tạo sự hình thành khúc quanh. Độ ổn định của cấu trúc được đánh giá định lượng.
5.2. Động Lực Học Phân Tử Của Aβ21 30
Mô phỏng sử dụng mô hình nước tường minh chính xác cao. Quỹ đạo được phân tích để xác định cấu trúc ưu tiên. Cấu trúc bậc hai thay đổi linh hoạt theo thời gian. Một số vùng giữ cấu trúc ổn định hơn vùng khác. Kết quả cung cấp thông tin chi tiết về hành vi protein.
5.3. Liên Hệ Với Cấu Trúc Sợi Amyloid
Cấu trúc quan sát được liên quan đến sợi amyloid trưởng thành. Khúc quanh VGSN giúp protein gấp thành cấu trúc đặc trưng. Tấm beta song song được hình thành từ nhiều phân tử. Mô phỏng giải thích cơ chế ổn định cấu trúc sợi. Hiểu biết này quan trọng cho thiết kế thuốc ức chế.
VI. Ảnh Hưởng Của Đột Biến E22Q Và D23N
Hai đột biến tự nhiên E22Q và D23N được phân tích chi tiết. Các đột biến này liên quan đến bệnh amyloidosis. Nghiên cứu so sánh tính chất nhiệt động của protein đột biến và dạng hoang dã. Ảnh hưởng lên cấu trúc bậc hai và bậc ba được đánh giá. Kết quả giải thích vai trò của đột biến trong bệnh lý.
6.1. Đột Biến E22Q Và Tính Chất Protein
Đột biến E22Q thay glutamate bằng glutamine. Thay đổi này loại bỏ điện tích âm tại vị trí 22. Tương tác tĩnh điện của protein thay đổi đáng kể. Cấu trúc bậc hai có xu hướng khác so với dạng hoang dã. Đột biến này liên quan đến một số dạng amyloidosis di truyền.
6.2. Đột Biến D23N Và Ổn Định Cấu Trúc
Đột biến D23N thay aspartate bằn asparagine. Điện tích âm tại vị trí 23 bị mất. Cầu muối D23-K28 không thể hình thành. Sự thay đổi này ảnh hưởng lớn đến quá trình tập hợp. Protein đột biến có xu hướng tập hợp nhanh hơn.
6.3. So Sánh Nhiệt Động Học Giữa Các Dạng
Tính chất nhiệt động của ba dạng protein được so sánh. Năng lượng tự do tập hợp thay đổi giữa các dạng. Protein đột biến thường kém ổn định hơn dạng hoang dã. Tốc độ hình thành oligomer độc hại tăng lên. Kết quả giải thích tại sao đột biến gây bệnh sớm hơn.
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (165 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộBOSTON UNIVERSITY GRADUATE SCHOOL OF ARTS AND SCIENCES Dissertation COMPUTATIONAL STUDY OF AMYLOID BETA PROTEIN IN IMPLICIT AND EXPLICIT SOLVENT MODELS: PROBING THE INITIAL STAGES OF AGGREGATION BOGDAN TARUS B., Boston University, 2004 Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy 2007 UMI Number: 3240642 INFORMATION TO USERS The quality of this reproduction is dependent upon the quality of the copy submitted. Broken or indistinct print, colored or poor quality illustrations and photographs, print bleed-through, substandard margins, and improper alignment can adversely affect reproduction. In the unlikely event that the author did not send a complete manuscript and there are missing pages, these will be noted. Also, if unauthorized copyright material had to be removed, a note will indicate the deletion.
® UMI UMI Microform 3240642 Copyright 2007 by ProQuest Information and Learning Company. All rights reserved. This microform edition is protected against unauthorized copying under Title 17, United States Code. ProQuest Information and Learning Company 300 North Zeeb Road P.
Box 1346 Ann Arbor, MI 48106-1346 Approved by First Reader £S\waÀ John E. Professor of Chemistry Second Reader LN Rosina M. Professor ¥f Chemistry To my family. Acknowledgments I would like to thank my advisor, Prof.
Straub, for his generous support and patience over my entire period of doctoral studies at Boston University. His sustained ded- ication as research advisor and enthusiastic teacher will constitute a permanent example for me. I thank all the professors on my thesis committee, Prof. Rosina Georgiadis, Prof.
Tom Keyes, Prof. Sandor Vajda and Prof. I also thank Prof. Devarajan Thiru- malai from University of Maryland for being a constant source of help and inspiration for my research.
I thank all my professors at Boston University. I would like to thank Prof. David Coker for sharing his research enthusiasm with us. I am sincerely grateful to all the colleagues I had over the years in the Straub group.
Finally, I would like to thank my family, especially my wife, Dana, for all her love and unconditioned support. 1V COMPUTATIONAL STUDY OF AMYLOID BETA PROTEIN IN IMPLICIT AND EXPLICIT SOLVENT MODELS: PROBING THE INITIAL STAGES OF AGGREGATION (Order No. ) BOGDAN TARUS Boston University Graduate School of Arts and Sciences, 2007 Major Professor: John E. Straub, Professor of Chemistry ABSTRACT It has been proposed that the amyloid đ-protein (Ađ-protein) plays a crucial role in the development of Alzheimer’s Disease (AD).
This dissertation presents the results of computa- tional studies of the initial stages of AG-protein association. The objective of this work was to determine the stability and role of the ÀØ-protein monomers and low-order oligomers as metastable intermediates on the pathway for formation of larger aggregates and fibrils. A protocol based on shape complementarity is used to generate an assortment of possible dimer structures of the A@jpo_35-protein congener. The ensemble of dimer structures are evaluated using rapidly computed estimates of the desolvation and electrostatic interaction energies to identify a putative stable dimer structure.
Using the umbrella sampling method and classical molecular dynamics, the potential of mean force (PMF) associated with the dimerization of the peptide in aqueous solution is computed. The profiles of the PMF corresponding to the formation of the two putative dimer structures are compared. Molecular dynamics trajectories originating from the two putative dimer structures are used to analyze their stability. Significant attempts are made to increase the time over which the association of the Afi9—35-protein can be simulated.
In this respect, conformations generated by the A@io_35- protein simulated using an explicit TIP3P solvent model are compared to conformations re- sulting from simulations employing one empirical and two continuum electrostatics solvent models. Inspired by recent experimental results, the dynamics of the D23-K28 “salt-bridge” V contacts are examined and critically evaluated as a possible “nucleation site” for the formation of Ø-structure characteristic of amyloid fibrils. The behavior of the AØại_ao-protein fragment is studied using molecular dynamics simula- tions employing an explicit aqueous solvent model. Special attention is paid to the VGSN(24- 27) region of the protein where experimental solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) measurements indicate that formation of a turn may play a crucial role in stabilizing the AfØi-4a-protem in fibril structure.
The influence of two mutations, E22Q and D23N, on the thermodynamics properties of the Ai ao fragment is analyzed and related to the possible roles played by these two naturally occurring mutations in amyloidosis. vi Contents 1 Introduction 1 2 Probing the initial stage of aggregation of the A 9_3;-protein: Assessing the propensity for peptide dimerization 6 2. gà kg kg ko 7 2.3 Computational Model and Methods.1 Dimer structure generation using a docking protocol.2 Desolvation energy screening.4 Secondary Structure Analysis .4 Results and Discussion .2 Generation of dimer structures.38 Potential of Mean Force .4 Stability of dimer.5 Dynamical fluctuations in the y-dimer .6 Time dependence of secondary structure fluctuations in the homodimer 36 2.5 Summary and Conclusions .v xo 36 3 A comparative study of the structure and thermodynamics of the A{io_35- protein in different hydration models 39 vil 3. vn gà gà lv lv vn à và và và 3.38 Computational Models and Methods .1 Explicit solvent molecular dynamics.2 Implicit solvent molecular dynamics.3 Computational estimation of pK, .4 Results and analySlS.
cv ng gà gà g kg v va 3.1 Radius of gyration .2 Root-mean-square Ñuctuations.3 Lipari-Szabo generalized order parameter.5 Solvation self-energy. ch vu ng ee na 3.6 Intra-peptide hydrogen bonds .7 Computational estimation of pK, .5 Summary and Conclusions. ee Dynamics of Asp23—Lys28 salt bridge formation in Ađịo_ss monomers 41 Summary. Computational Models and Methods.
kg và và ee 4.4 Results and Discussions. ng kg kg va 4.1 Compact A(@io-35 undergoes large structural fluctuations .2 Computed values of pK, are in accord with experiments .3 Structures with intact salt-bridge D23-K28 are not the most stable 4.4 Multiple basins are populated in Àđịo ss monomer .5 Hydrogen-bonds with water increase the desolvation barrier of D23 and K28 ee 82 4.6 Burial of K28 involves a large free energy cost .7 The structure of water around residues D23 and K28 .5 Summary and Conclusions. c Q c Q k Q kg và gà va 86 The competition between the electrostatic and hydrophobic intra-peptide interactions in the AØs¡_so-protein 91 5. kg vn gà v g kg kg kg A 92 5.38 Computational Methods and Models .1 Simulation model and methods .2 Computational estimation of pK, .4 Results and analysis.
Q g gà và TT va 99 5.1 pK, values indicate weak intra-peptide electrostatic interactions .2 Inter-titratable side-chain distances .3 Intra-peptide hydrophobic contacts .4 Lys28 makes transitive contacts with the peptide backbone.5 Intra-peptide folding elements .56 Summary and Conclusions. cvva 115 Bibliography 121 Curriculum Vitae 137 1X List of Tables 41 Experimental and predicted pK, values (using the trajectories labeled T1-T5) for titratable residues in the A3,o-35-protein. The predicted pK, values are for Afio-_ss-protein structures simulated in explicit solvent model TIP3P. A value of e = 4 was used as the protein dielectric constant.1 Computational pK, values are compared with the experimental! (in parenthe- sis) pK, values for titratable residues Glu22, Asp23, and Lys28 in the A21~30- peptide.
The isolated residues and the residues in the peptide structure are similar, indicating that the pK, shifts result from weak intra-peptide electro- static interactions. c Q Q LH nu nu cà na vn g V NV k k k vUA 5.2 The number of nodes, N, and direct transitions among nodes, Ni, associated with the free energy transition disconnectivity graphs of the WT, E22Q, D23N, and K28A peptides. Na, is reduced to N—1 using the minimum-cut algorithm.? Ng nodes with free energies higher than —0.6 kcal/mol define the entropic basin. na lv kg g lv kg v kg kg va List of Figures 2.1 The distribution of the energy of interaction of the two monomers, used as the scoring function to analyze two sets of 2000 dimer decoys each.
The dimer se- lected by a method that places a relative emphasis on the burial of hydrophobic residues at the dimer interface is referred to as the “y-dimer” (a). The dimer chosen by a method that places a relative emphasis on electrostatic interactions is referred to as the “e-dimer” (b). The “desolvation energy”— corresponding to the energy change on going from separated monomeric À/Øo_ss to AZ dimeric decoy structure — was used as a measure of the degree of hydrophobic surface burial. The decoy sets were obtained using two shape complementarity proto- cols, GRAMM (a) and ZDOCK (b).
The energy of desolvation was calculated based on an atom contact energy (ACE) method.2 kcal/mol was used to compute the distribution of the interaction energy.2 The putative dimer structures derived by minimization of the functions S, (Eq.6)), corresponding to the y-dimer (a) and e-dimer (b), respectively. The side chains at the dimer interface are depicted explicitly. The green and yellow colored residues belong to monomer A (left) and those in red and orange are part of monomer B (right), .3 The distribution of the intermonomeric interaction energy plotted as a function of the atomic root-mean-square distance between each decoy structure and the structure of the y-dimer (a) and the e-dimer (b). In general, the unfavorable dimer structures are well differentiated from the most favorable structures.
The desolvation energy distribution (a) has a “funnel-like” character, indicating that structures more similar to the reference structure tend to be structures of minimal energy. The contribution of the electrostatic interaction energy determines a discontinuous distribution (b), the structure of most of the decoy dimers being very different from the structure of the e-dimer.4 The sidechain-sidechain contact matrices averaged for the ten decoy structures corresponding to the y-dimer (a) and e-dimer (b), respectively. The selection of the y-dimer is produced by a scoring function which is composed by the de- solvation energy only (a), while the e-dimer is selected by a function defined as the sum of the desolvation energy, the van der Waals and the electrostatic inter- actions (b) (see text for details). The interface of the ¿-dimer is dominated by contacts which involve hydrophobic residues, while the presence of the polar and charged residues is evident at the interface of the e-dimer.
The amino acid se- quence of the A@i9_3, monomer is Y!'EVHHQ!5KLVFF?AEDVG25°SNKGA*® TIGLM®, 6 -ỗ q. aaa ẶẼ xH 2.5 The Potential of Mean Force (PMF) is plotted for two different relative orien- tations of the monomeric peptide within the dimer. The PMF is computed as a function of the surface separation, 6 = € — €sø„;, along the distance between the centers-of-mass (DCOMs) of the two monomers, where € and £,on: are the DCOMs of the two monomers when they are at an arbitrary separation and in contact, respectively. The profile in blue corresponds to the free energy surface computed using the e-dimer as the starting structure.
The red curve is similarly computed using the y-dimer as the starting structure. The difference between the two surfaces suggests that hydrophobic interactions may be more essential to stabilization of the dimer structure than electrostatic interactions.6 The distribution of the surface buried area at the interface between the AGio_35 monomers during the molecular dynamics simulation of the dimer indicates that the set of the principal contacts at the dimer interface are maintained for the y-dimer (a), and that the e-dimer is not stable (b). A bin of 15 A? was used to compute the distribution of the interface surface area.7 The comparison of the electrostatic (red) and the hydrophobic (green) inter- action energies between the A@jo_35 monomers during the molecular dynamics simulation implies that the stability of the y-dimer is given by contacts between hydrophobic residues. In black is shown that the contribution of the fragment 15-30 plays a dominant role to the overall stability of the y-dimer.
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Nghiên cứu tính toán protein amyloid beta trong môi trường dung môi" nghiên cứu về vấn đề gì?
Luận án tiến sĩ nghiên cứu tính toán protein amyloid beta. Phân tích giai đoạn tập hợp protein, cấu trúc dimer và vai trò oligomer trong bệnh Alzheimer.
Luận án "Nghiên cứu tính toán protein amyloid beta trong môi trường dung môi" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại Boston University. Năm bảo vệ: 2007.
Luận án "Nghiên cứu tính toán protein amyloid beta trong môi trường dung môi" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Nghiên cứu tính toán protein amyloid beta trong môi trường dung môi" thuộc chuyên ngành Chemistry. Danh mục: Sinh Học Phân Tử Tế Bào.
Luận án "Nghiên cứu tính toán protein amyloid beta trong môi trường dung môi" có bao nhiêu trang?
Luận án "Nghiên cứu tính toán protein amyloid beta trong môi trường dung môi" có 165 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Nghiên cứu tính toán protein amyloid beta trong môi trường dung môi" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.