Luận án tiến sĩ vật lý kỹ thuật nghiên cứu ảnh hưởng của đột biến lên cấu trúc v

ĈҤI HӐC QUӔC GIA TP. HCM 75ѬӠ1*ĈҤI HӐC BÁCH KHOA TRҪN THӎ 0,1+7+Ѭ NGHIÊN CӬU Ҧ1++ѬӢNG CӪ$ĈӜT BIӂN LÊN CҨU TRÚC VÀ ĈӜNG HӐC CӪA CHUӚI PEPTID AMYLOID BETA: +ѬӞ1*ĈӂN ӬC CHӂ BӊNH ALZHEIMER LUҰN ÁN TIӂN SƬ TP. HӖ CHÍ MINH - 1Ă0 1 ĈҤI HӐC QUӔC GIA TP. HCM 75ѬӠ1*ĈҤI HӐC BÁCH KHOA NGHIÊN CӬU Ҧ1++ѬӢNG CӪ$ĈӜT BIӂN LÊN CҨU TRÚC VÀ ĈӜNG HӐC CӪA CHUӚI PEPTID AMYLOID BETA: +ѬӞ1*ĈӂN ӬC CHӂ BӊNH ALZHEIMER Chuyên ngành: Vұt lý kӻ thuұt Mã sӕ chuyên ngành: 62520401 Phҧn biӋQÿӝc lұp 1: PGS.

TS Lê Thӏ Lý Phҧn biӋQÿӝc lұp 2: TS. NguyӉn Trung Hҧi Phҧn biӋn 1: GS. TS NguyӉn Quӕc Khánh Phҧn biӋn 2: PGS. TS Thái Khҳc Minh Phҧn biӋn 3: PGS.

TS HuǤnh Quang Linh 1*ѬӠ,+ѬӞNG DҮN: 1. TSKH Mai Xuân Lý 2. Lý Anh Tú 2 LӠ,&$0Ĉ2$1 7{L[LQFDPÿRDQÿk\OjF{QJWUuQKQJKLrQFӭu khoa hӑFÿӝc lұp cӫa tôi Gѭӟi sӵ Kѭӟng dүn cӫa GS.TSKH Mai Xuân Lý, TS. Lý Anh Tú và nhóm thӵc hiӋn.

Các kӃt quҧ nghiên cӭu và các kӃt luұn trong luұn án này là trung thӵc, và không sao chép tӯ bҩt kǤ mӝt nguӗQQjRYjGѭӟi bҩt kǤ hình thӭc nào. ViӋc tham khҧo các nguӗn tài liӋXÿmÿѭӧc thӵc hiӋn trích dүn và ghi nguӗn tài liӋu tham khҧRÿ~QJTX\ÿӏnh. Tác giҧ luұn án Trҫn Thӏ 0LQK7Kѭ i TÓM TҲT LUҰN ÁN BӋnh Alzheimer (AD) là mӝt chӭng suy giҧm não bӝ và là nguyên nhân chính gây sa sút trí tuӋ ӣ FRQQJѭӡL$'ÿѭӧFFKROjFyOLrQTXDQÿӃn viӋc suy giҧm các neuron và khӟp nӕi thҫn kinh trong não. KӇ tӯ thӡLÿLӇm phát hiӋQUD$'ÿӃn nay, nguyên nhân gây bӋnh vүQFKѭDÿѭӧF[iFÿӏnh mӝt cách cө thӇ.

Tuy vұy, có ba giҧ thuyӃt chính thӇ hiӋn FiF QJX\rQ QKkQ Qj\ ÿy Oj JLҧ thuyӃt cholinergic, giҧ thuyӃt protein tau và giҧ thuyӃt DP\ORLG7URQJÿyJLҧ thuyӃWDP\ORLGÿѭӧc nghiên cӭu rӝng rãi vӟLOѭӧng thông tin dӳ liӋu lӟn nhҩt so vӟi hai giҧ thuyӃt còn lҥi. Giҧ thuyӃt amyloid nhҩn mҥnh rҵng sӵ WăQJ sinh cӫa peptid amyloid beta (Aȕ dүn tӟi tích tө ngoҥi bào cӫa Aȕ trong não theo thӡi gian, kӃt quҧ hình thành nên các mҧng amyloid gây viêm, kéo theo tәQWKѭѫQJFiFNKӟp nӕi thҫn kinh và làm giҧm sӕ Oѭӧng neuron. PHSWLG$ȕÿѭӧc cҳt tӯ protein tiӅn tӕ (amyloid precursor protein - APP) bӣi các enzyme chӭF QăQJ ȕȖ-VHFUHWDVHVYjFyÿӝ dài chuӛLWKD\ÿәi trong khoҧng 36-43 acid amin. Hai dҥng phә biӃn nhҩt cӫa peptid $ȕ là $ȕ Jӗm 40 acid amin) và $ȕ Jӗm 42 acid amin).

ChuӛL SHSWLG $ȕ FKӍ NKiF $ȕ KDL DFLG DPLQ FXӕi cùng ,OHYj$ODQKѭQJFyWtQKFKҩt khác biӋt so vӟL$ȕ3HSWLG$ȕWҥo sӧLQKDQKKѫQ ÿӝFKѫQYjOjWKjQKSKҫn chính yӃu cҩu thành các mҧng bám amyloid, mһc dù nó có sӕ OѭӧQJtWKѫQ$ȕĈӇ làm rõ ҧQKKѭӣng cӫa hai acid amin cuӕi cùng, nghiên cӭu sinh (NCS) tiӃn hành nghiên cӭu mô phӓng và thӵc nghiӋm trong ӕng nghiӋm cho các chuӛi $ȕ$ȕYj$ȕ.Ӄt quҧ cho thҩy Ala42 ҧQKKѭӣng lên viӋFJLDWăQJYұn tӕc tҥo sӧi Yjÿӝc tӕ cӫD$ȕKѫQOj Ile41. Mӝt trong nhӳng cách ӭc chӃ bӋnh Alzheimer là làm giҧm vұn tӕc tҥo sӧi cӫa peptid $ȕ WK{QJ TXD YLӋF Jk\ ÿӝt biӃn chuӛL Ĉm Fy Uҩt nhiӅu nghiên cӭu vӅ ÿӝt biӃn chuӛi SHSWLG$ȕQKҵPKѭӟQJÿӃn ӭc chӃ bênh Alzheimer. Nghiên cӭu thӵc nghiӋm cho thҩy, ÿӝt biӃQEDÿLӇm G33V-V36P-*9 939 ÿҭy mҥnh quá trình tҥo sӧi cӫD$ȕYjOjP ÿӝt biӃQ$ȕ-VPV có hành xӱ cuӝn giӕQJ$ȕWKӇ tӵ nhiên, ÿӗng thӡLOjPWăQJÿӝc tӕ. Bҵng mô phӓng các cҩXWU~F$ȕWKӇ tӵ QKLrQYjÿӝt biӃQWUrQÿRҥn ngҳn 31-40, 31-42 và ii trên chuӛLÿҫ\ÿӫ ÿӝ dài, NCS ÿmÿѭDÿӃn kӃt luұn rҵng sӵ WѭѫQJÿӗQJWURQJÿӝng hӑc tích tө cӫD$ȕ-939Yj$ȕ-WT gây nên bӣi sӵ JLDWăQJFӫa cҩXWU~FȕWUrQWRjQEӝ chuӛLNKLFyÿӝt biӃn.

Sӵ WKD\ÿәi cӫD$ȕNKLFKӏXWiFÿӝng cӫDÿӝt biӃn VPV dӵa trên sӵ gLDWăQJFҩXWU~Fȕ-WXUQYjȕ-hairpin tҥi acid amin 36-37 ӣ ÿҫu C cӫa chuӛi. Cҩu trúc khóa kéo motif glycin tҥLÿҫX&ÿѭӧc cho là ҧQKKѭӣQJÿiQJNӇ ÿӃn vұn tӕc tҥo sӧi và sӵ KuQK WKjQKÿӝc tӕ cӫDSHSWLG$ȕĈӇ khҧo sát ҧQKKѭӣng cӫa cҩu trúc motif glycin lên tính chҩt cӫD$ȕFK~QJW{LÿmQJKLrQFӭu ÿӝt biӃn G37V thông qua thӵc nghiӋm trong ӕng nghiӋm và mô phӓng tính toán ÿӝng lӵc hӑc phân tӱ cә ÿLӇn. KӃt quҧ cho thҩ\ÿӝt biӃn G37V làm giҧm mҥQKÿӝc tӕ cӫD$ȕQKѭQJNK{QJWKD\ÿәi vұn tӕc tҥo sӧi và thành phҫn cҩu trúc bұc hai. Các phân tích thӵc nghiӋm cho thҩy hình thái tích tө cӫDÿӝt biӃn G37V tҥo thành các mҧng có hình dҥQJHOOLSVHKѫQOjFiFVӧLOѭӟLQKѭ $ȕWKӇ tӵ nhiên.

Sӵ khác biӋt trong hình thái tích tө có thӇ là mӝt trong nhӳng nguyên nhân khҧ GƭGүn tӟi sӵ suy giҧPÿӝc tӕ. KӃt quҧ mô phӓng cho thҩ\*9OjPWăQJWKjQK phҫQ ȕ-WXUQ Yj ȕ-hairpin tҥi các acid amin 36-37 và có phân bӕ khoҧng cách cҫu muӕi (SB) Asp23-Lys28 linh hoҥWKѫQVRYӟi thӇ tӵ nhiên. NhӳQJÿһc tính cҩu trúc này có thӇ là nguyên nhân dүQÿӃn sӵ WKD\ÿәi hình thái sӧi cӫD$ȕFKX\Ӈn tӯ dҥQJOѭӟi sang dҥng ellipse. Các nghiên cӭXWUѭӟFÿk\FKRUҵng ҧQKKѭӣng cӫDP{LWUѭӡng (nӗQJÿӝ pH, nӗng ÿӝ muӕi, nhiӋWÿӝ« YjWӯ cҩu trúc nӝi tҥL ÿӝ kӏ QѭӟFÿLӋQWtFK[XKѭӟng tҥo sӧi ӣ trҥng WKiLPRQRPHUÿӝ bӅQFѫKӑF« OjFiF\Ӄu tӕ kiӇm soát vұn tӕc tҥo sӧi cӫa protein.

Cҩu WU~F WuP ÿѭӧc tӯ thӵc nghiӋm cho thҩy trҥng thái sӧi cӫa protein bao gӗm các phiӃQ ȕ FKpR 'R ÿy FK~QJ W{L ÿѭD UD JLҧ thuyӃt rҵng nhӳng monomer có thành phҫn nhiӅu ȕ ÿѭӧc cho rҵng sӁ tҥo sӧL QKDQK KѫQQKӳng monomer có thành phҫQ tWȕ KѫQ Yj QJKLrQ cӭu cҩu trúc monomner có thӇ giúp suy luұn quá trình hình thành sӧi. Tuy nhiên yӃu tӕ quan trӑQJQj\FKѭDÿѭӧc minh chӭng mӝt cách rõ ràng. Trong luұn án này, NCS sӱ dөng vұn tӕc tҥo sӧLț ÿmÿѭӧF[iFÿӏnh tӯ các công bӕ thӵc nghiӋPWUѭӟFÿk\YjWLӃn hành mô phӓQJFKR$ȕWKӇ tӵ QKLrQYjÿӝt biӃn cӫDQyÿӇ tính toán thành phҫn cҩXWU~Fȕ trong thҥng thái monomer. HӋ sӕ WѭѫQJTXDQFDRWURQJPӕi quan hӋ giӳa vұt tӕc tҥo sӧi iii thӵc nghiӋm và thành phҫQȕFKRSKpSNKҷQJÿӏnh cҩXWU~FȕWURQJWUҥng thái monomer kiӇm soát tӕFÿӝ tҥo sӧi cӫD$ȕ+jPSKө thuӝc cӫa vұn tӕc tҥo sӧi vào thành phҫQȕ ÿѭӧc thӇ hiӋQGѭӟi dҥng tuyӃQWtQKYjKjPPNJexp.

NӃu tӍ lӋ phҫQWUăPȕFjQJOӟn, vұn tӕc tҥo sӧi sӁ càng nhanh. Các kӃt quҧ mô phӓQJÿmWUҧ lӡi mӝt câu hӓi quan trӑng vӅ sӵ phө thuӝc cӫa vұn tӕc tҥo sӧi vào thành phҫQȕPӝWFiFKÿӏQKOѭӧng. Công thӭc liên hӋ giӳa vұn tӕc tҥo sӧi và thành phҫQȕFKRSKpS[iFÿӏnh tӕFÿӝ tҥo sӧi cӫa protein trong thӵc nghiӋm dӵa trên thành phҫQȕWURQJFҩu trúc monomer, và giá trӏ Qj\ÿѭӧc tính bҵng mô phӓng máy tính. iv ABSTRACT Alzheimer's disease (AD) is a brain-damaged disease and the main cause of dementia in humans.

AD is thought to be involved in the weakening of neurons and synapses in the brain. Since AD was discovered, the cause of AD has not been identified, but there are three main hypotheses about it: cholinergic, protein tau, and amyloid. Genetic and pathological data accumulated over the last decades have convincingly confirmed the third amyloid hypothesis, according to which extracellular accumulation of beta-DP\ORLG $ȕ SHSWLGHVLQWKHEUDLQOHDGVWRWKHIRUPDWLRQRILQIODPPDWRU\DP\ORLG plaques. This can damage synapses, entangle nerve fibers, and kill neurons.

$ȕSHSWLGHVFOHDYHGIURPDP\ORLGSUHFXUVRUSURWHLQ $33 E\ȕ- DQGȖ-secretases, have 36-UHVLGXHVEXW$ȕ DPLQRDFLGV DQG$ȕ DPLQRDFLGV DUHPRVWDEXQGDQW $ȕDQG$ȕKDYHLGHQWLFDOVHTXHQFHV with the exception of the last two hydrophobic UHVLGXHV ,OH DQG $OD ZKLFK VWURQJO\ GLVWLQJXLVK WKHLU EHKDYLRU $ȕ DJJUHJDWHV faster, is more toxic and is the major constituent of amyloid plaques, despite being SUHVHQWLQORZHUDEXQGDQFHWKDQ$ȕ. To shed light on the role of the last two residues, we performed in silico and in vitro H[SHULPHQWVIRU$ȕ$ȕDQG$ȕ:Hfound that Ala42 has a stronger effect than Ile41on the increased fibril formation rate and FRQVHTXHQWO\QHXURWR[LFLW\RI$ȕSeptides. 2QH RI WKH SRVVLEOH VWUDWHJLHV IRU WUHDWLQJ $' LV WR VORZ GRZQ $ȕ DJJUHJDWLRQ E\ PXWDWLRQV LQ $ȕ SHSWLGHV ZKLFK KDV SURPSWHG PDQ\ VWXGLHV LQ WKLV DUHD ,W KDV EHHQ shown experimentally that the triple mutation G33V-V36P-G38V (VPV) significantly accelerates the self-DVVHPEO\RI$ȕDQGPDNHVWKHPXWDQW$ȕ-VPV behave like wild- W\SH$ȕ $ȕ-WT) with increased toxicity. Conducting MD simulations of fragments $ȕ31-40 DQG $ȕ31-42 DQG IXOO OHQJWK $ȕ1-40 DQG $ȕ1-42, we found that the similarity in IROGLQJSDWKZD\VRI$ȕ-939DQG$ȕ-:7ZDVFDXVHGE\WKHLQFUHDVHRIȕ-content in WKHZKROHVHTXHQFH7KHVWUXFWXUDOFKDQJHVRI$ȕXQGHU939PXWDWLRQZDVGXHWRWKH HQKDQFHPHQWRQȕ-KDLUSLQDQGȕ-turn at amino acids 36-37 at the C-terminal.

Conducting 0' VLPXODWLRQV RI WKH $ȕ- DQG $ȕ-42 fragments, as well as full-OHQJWK $ȕ-40 v DQG $ȕ- ZH IRXQG WKDW WKH VLPLODULW\ RI WKH IROGLQJ SDWKZD\V RI $ȕ-VPV and $ȕ-:7 ZDV FDXVHG E\ DQ LQFUHDVH LQ ȕ-content in the entire sequence. Structural changes LQ $ȕ ZLWK 939 PXWDWLRQ ZHUH DVVRFLDWHG ZLWK DQ LQFUHDVH RI SRSXODWLRQ RI WKHȕ-KDLUSLQDQGȕ-turn centered at amino acids 36-37 of the C-terminus. The glycine zipper motif at the C-terminus markedly influences the aggregation rate and toxicity of the Aȕ SHSWLGH 7R GHPRQVWUDWH WKLV ZH VWXGLHG WKH *9 PXWDWLRQ ZKHUH glycine was with valine at position 37 using both MD modeling and in vitro experiment. The G37V mutation was found to significantly reduce toxicity but leave the aggregation rate and secondary structures nearly unchanged.

For the first time we observed that the mutation alters the morphology of the aggregate such that the fibril has a network-like VKDSH LQ WKH $ȕ-WT case, while the elliptical structure occurs upon G37V mutation. Thus, our result suggests that changes in toxicity are associated with changes in the DJJUHJDWHPRUSKRORJ\0'VLPXODWLRQVUHYHDOHGWKDWWKH*9PXWDWLRQHQKDQFHVWKHȕ- WXUQ DQG ȕ-hairpin content at the C-terminus and makes the Asp23-Lys28 salt bridge more flexible. These structural changes may be responsible for the appearance of the ellipse-like morphology. Previous studies have shown that environmental factors (pH, temperature, salt concentration, etc.) and intrinsic properties of a protein (hydrophobicity, charge, population of fibril-prone conformation in monomeric state, mechanical stability of fibrils) control the rate of protein aggregation.

Since the structure of fibrils consists of FURVVȕ-sheets, and the monomer can serve as a template for aggregationWKHȕFRQWHQWLQ the monomeric state seems to promote the fibril formation. Thus, we hypothesize that the KLJKHUWKHȕFRQWHQWLQWKHPRQRPHULFVWDWHWKHIDVWHUWKHILEULOLVIRUPHG7RFRQILUPWKLV K\SRWKHVLVZHFDOFXODWHGWKHȕ-content of the wild-tySHDQGPXWDWLRQVRI$ȕXVLQJ all-atom replica exchange molecular dynamics (REMD) simulations in implicit water. We found that the experimentally measured aggregation rate of these variants increases H[SRQHQWLDOO\ZLWKLQFUHDVLQJȕ-content. Since the correlation between our computational UHVXOW DQG H[SHULPHQWDO GDWD LV KLJK ZH FRQFOXGH WKDW WKH ȕ-content in the monomeric vi state controls the rate of protein aggregation.

Currently, the calculation of the fibril formation time of proteins using all-atom simulations is prohibited due to the large gap between the real time (days) and the computation time (ms). From this point of view, our result is very useful, as it opens up a new way to estimate the rate of fibril formation using ȕ-content, which can be easily obtained using REMD simulations. vii LӠ,&È0Ѫ1 1JѭӡLÿҫu tiên tôi muӕn bày tӓ lòng biӃWѫQFӫa mình là GS. TSKH Mai Xuân Lý (Mai Suan Li).

May mҳQÿѭӧc gһp Thҫ\Yjÿѭӧc Thҫy nhұQKѭӟng dүn Nghiên cӭu sinh là mӝW Eѭӟc ngoһt lӟn trong sӵ nghiӋp cӫa tôi. Thҫ\ Oj QJѭӡL ÿm WUX\Ӆn kiӃn thӭc, là nguӗn cҧm hӭQJYjÿmNKѫLJӧLÿDPPrQJKLrQFӭu khoa hӑFWURQJW{L1JRjLUDW{LFNJQJ hӑFÿѭӧc tӯ Thҫy cách làm khoa hӑc mӝt cách nghiêm túc và chuyên nghiӋp, giӳ JuQÿҥo ÿӭc nghӅ nghiӋSÿӇ mӑi góc nhìn trong khoa hӑc thӵc sӵ trong sáng và công tâm. Nhӡ là hӑc trò cӫa Thҫ\PjW{Lÿmÿѭӧc tҥRÿLӅu kiӋQÿӇ tham gia các Hӝi nghӏ khoa hӑc Quӕc tӃ, có dӏp gһp gӥ các nhà khoa hӑFKjQJÿҫXWURQJOƭQKYӵFÿӇ tӯ ÿyÿѭӧc mӣ mang kiӃn thӭc giúp phát triӇn lâu bӅn sӵ nghiӋp nghiên cӭu cӫa bҧQWKkQ7{L[LQÿѭӧFFiPѫQ76 Lý Anh Tú, vì nhӳQJ ÿyQJ JyS WR Oӟn cӫa Thҫy trong quá trình tôi thӵc hiӋn luұn án. Thҫ\ÿm Kѭӟng dүn tôi cách làm khoa hӑFÿ~QJÿҳn và hiӋu quҧ.

Nhӳng ý kiӃn chӍnh sӱa cӫa Thҫy sau mӛi lҫQEiRFiRFKX\rQÿӅ, seminar giúp tôi hoàn thiӋn kiӃn thӭFYjSKѭѫQJ pháp nghiên cӭu cӫD PuQKKѫQ6ӵ nhiӋt tình và tұn tâm cӫa Thҫ\FNJQJ OjQJXӗQ ÿӝng viên lӟn lao trong quá trình hӑc tұp và nghiên cӭu. 7{L [LQ ÿѭӧF FiP ѫQ FiF 7Kҫy Cô thuӝc Khoa Khoa hӑc ӭng dөQJ ÿһc biӋt là PGS. TS HuǤQK4XDQJ/LQKÿmQKLӋWWuQKJL~Sÿӥ trong các thӫ tөc và nhӳng góp ý sâu sҳc vӅ FKX\rQP{Q;LQFiPѫQFiF7Kҫy Cô công tác tҥLSKzQJ6DXĈҥi hӑFWUѭӡQJÿҥi hӑF%iFKNKRD73+&0ÿmKӛ trӧ ÿӇ tôi có thӇ KRjQWKjQKÿӅ tài nghiên cӭu này.