生物膜-膜蛋白相互作用及納米粒子跨膜輸運的粗?；M研究.pdf

1、眾所周知，生物膜是細胞的重要組成部分，眾多細胞活動的展開都離不開生物膜的參與，比如細胞內吞(Endocytosis)、細胞外吐(Exocytosis)、細胞分裂(Cell division)、細胞遷移(Cell migration)以及細胞信號轉導(Signal transduction)等。因此研究生物膜的結構與性質對于理解其在不同細胞活動中的功能具有非常重要的意義。此外值得注意的是，生物膜的主要成分除了磷脂以外，還存在著各種不同的蛋

2、白質，比如跨膜蛋白(Transmembrane protein)、錨定蛋白(Anchored protein)、外周蛋白(Peripheral protein)等等，這些蛋白質的存在對于生物膜發(fā)揮正常的生物功能至關重要?；谏锬な且粋€異常復雜的動態(tài)結構，目前我們對其在不同細胞活動中的作用還知之甚少。盡管隨著實驗設備與技術的進步，許多生物膜的結構和功能可以通過實驗的手段進行觀察和研究，但是目前實驗方法仍然無法從分子層面上去深入探索生物膜

3、的結構和性質。因此這就需要引進計算機模擬技術。尤其是近年來，隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，分子模擬已經(jīng)能夠在較長時間尺度上對較大的生物體系進行研究。
　　 因此本論文主要采用分子模擬的手段，選取生物膜-膜蛋白體系作為研究對象進行系統(tǒng)的模擬研究。本文主要從以下兩大方面展開研究:
　　 1.首先是關于生物膜-膜蛋白相互作用機理的模擬研究，主要的研究內容包括以下幾個部分:
　　 (1)采用磷脂數(shù)可變的耗散粒子動力學模擬方法

4、(N-variedDissipative Particle Dynamics，N-varied DPD)研究錨定蛋白質的聚集及其與生物膜彎曲的關系。模擬結果表明錨定蛋白質在生物膜中的聚集程度及聚集速度主要取決于其自身的疏水長度。而在生物膜彎曲方面，本文模擬發(fā)現(xiàn)生物膜的彎曲程度不僅取決于生物膜自身的表面張力，而且在很大程度上受錨定蛋白質聚集程度的影響。一般來說，錨定蛋白質的聚集團簇具有一定的內在曲率，而正是由于這種內在曲率的存在使其在生物

5、膜彎曲方面發(fā)揮了類似于腳手架的功能。因此本研究工作提出了一種新的生物膜彎曲機理:即錨定蛋白質的聚集機理。此外，本文還模擬證明了錨定蛋白質的聚集不僅可以促使生物膜曲率的產(chǎn)生，而且其在生物膜中的聚集程度和分布可以感應生物膜局部曲率的存在。這為我們理解不同蛋白質在生物膜中的分布及其生物功能提供了參考。
　　 (2)針對膜蛋白質感應生物膜曲率的事實，進一步采用耗散粒子動力學的模擬方法研究生物膜局部曲率對膜蛋白相互作用的影響。本文選取不同

6、尺寸的囊泡作為具有特定曲率的生物膜模型，研究曲率對囊泡中跨膜蛋白質間相互作用的影響。本文研究發(fā)現(xiàn)不僅跨膜蛋白質的疏水不匹配性是影響蛋白質間相互作用的主要因素，而且生物膜的局部曲率也可以介導產(chǎn)生跨膜蛋白質間的相互作用。因此本研究進一步從分子層面上解釋了為何生物膜曲率可以影響膜蛋白質的聚集及其在生物膜中的空間分布。此外，本文的模擬結果還表明不同疏水長度的跨膜蛋白質會對生物膜曲率產(chǎn)生一定的干擾，進而會對囊泡的整體形貌產(chǎn)生不同程度的影響。

7、>　　 (3)除了在生物膜彎曲中發(fā)揮作用以外，本文還模擬研究了生物膜上下兩層中錨定蛋白質的聚集耦合在細胞信號跨膜轉導中的作用。本文的模擬結果表明，細胞的信號跨膜轉導可以通過生物膜上下兩層中錨定蛋白質的聚集耦合來實現(xiàn)，而無需跨膜蛋白質的參與。本文通過模擬發(fā)現(xiàn)了三種不同的聚集耦合形態(tài)，它們分別為面對面的耦合形態(tài)、上下相互交錯的耦合形態(tài)以及弱耦合形態(tài)。且不同的耦合形態(tài)主要取決于上下兩層中錨定蛋白質的疏水長度。除此之外，本文還發(fā)現(xiàn)不同的耦合形

8、態(tài)會對錨定蛋白質的聚集程度產(chǎn)生不同程度的影響。因此本研究工作提出了一種新的信號跨膜轉導機理:即上下層錨定蛋白質的聚集耦合機理。
　　 (4)由于生物聚合物的成束在不同細胞活動中的重要性，本文采用布朗動力學的模擬方法(Brownian Dynamics，BD)研究了錨定在一基底表面的生物聚合物鏈的螺旋成束機理。本文的模擬結果顯示生物聚合物鏈的螺旋成束是鏈間相互吸引作用與內部彎曲剛性相互競爭的結果。且不同的自組裝形態(tài)，包括有序螺旋束

9、結構、有序平行束結構、無序半球狀團簇結構、以及不成束的單體結構，主要取決于生物聚合物的內部性質，比如長度、彎曲剛性、鏈間粘附強度等。此外，本文發(fā)現(xiàn)生物聚合物鏈的螺旋成束可以在很大程度上加強其彎曲剛性，并且螺旋程度越高，其加強作用越明顯。在自組裝動力學方面，根據(jù)不同的自身性質，生物聚合物鏈存在兩種不同的成束路徑，即分級成束過程和不分級成束過程。
　　 (5)生物膜中的各種通道蛋白被認為是一種強限制空間，而生物小分子在強限制空間中往

10、往呈現(xiàn)出不同的結構和性質。因此本文采用分子動力學的模擬方法(Molecular Dynamics，MD)研究了線性分子在圓柱納米孔中的自組裝結構。本文的模擬結果顯示隨著孔徑的不同，單點以及兩點分子在圓柱納米孔中會呈現(xiàn)出一系列的手性和非手性結構。而長度較長的四點線性分子則只能在特定孔徑下才能形成有序的螺旋結構。除此之外，本文模擬發(fā)現(xiàn)，對于不同長度的線性分子來說，其在強限制空間中的緊密堆積結構對于溫度變化的反應是截然不同的。因此本研究工作將

11、有助于我們理解生物小分子在通過膜通道蛋白進出細胞過程中的結構形態(tài)變化。
　　 2.本論文的另外一個研究方向是納米粒子(Nanoparticles，NPs)的跨膜輸運及其細胞毒性機理研究。主要的研究內容和創(chuàng)新點包括以下幾個部分:
　　 (1)采用N-varied DPD的模擬方法研究了單個納米粒子與生物膜的相互作用。本文通過模擬發(fā)現(xiàn)生物膜對于配體修飾的納米粒子的吸附會產(chǎn)生四種不同的反應狀態(tài)，即受體介導的內吞(Recepto

12、r-mediated endocytosis)、納米粒子的粘附(NPs adhesion)、納米粒子穿透生物膜(NPs penetration)以及納米粒子誘導的生物膜破裂(NPs induced membrane rupture)。其中前兩種生物膜反應說明納米粒子作為藥物載體材料的優(yōu)越性，而后兩種反應則說明納米粒子存在一定的細胞毒性(Cytotoxicity)。此外本文系統(tǒng)研究了納米粒子及生物膜不同性質對生物膜反應的影響，從而為設計低

13、毒高效藥物載體材料提供了一定的參考。
　　 (2)在納米粒子的內吞機理中，本文進一步研究了多個納米粒子的內吞路徑。本文模擬發(fā)現(xiàn)多個納米粒子的內吞實際上是一個相互協(xié)同的過程，且存在不同的協(xié)同方式，比如同步內吞(Synchronous internalization)、不同步內吞(Asynchronous internalization)以及單獨內吞(Independent internalization)。不同的協(xié)同方式取決于納米

14、粒子的尺寸、納米粒子的濃度、生物膜的表面張力以及不同納米粒子間的尺寸區(qū)別。
　　 (3)在研究了剛性納米粒子與生物膜的相互作用之后，本文進一步研究了軟的彈性囊泡與生物膜的相互作用。本文通過模擬發(fā)現(xiàn)囊泡可以通過最多5種不同的方式與生物膜發(fā)生作用，它們分別為囊泡融合(Vesicle fusion)、囊泡半融合(Vesicle hemi-fusion)、囊泡粘附(Vesicle adhesion)、囊泡破裂(Vesicle ruptu