銅（Ⅱ）抑制Aβ肽聚集機(jī)理及納米管狀類-離子通道結(jié)構(gòu)的分子模擬.pdf

1、日趨加快的人口老齡化步伐使以阿爾茲海默癥(AD)為代表的神經(jīng)退行性疾病成為世界范圍內(nèi)老年人健康的最大威脅之一。AD是發(fā)病率最高的神經(jīng)退行性疾病，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅2006年全球即新增患者約460萬(wàn)人。許多國(guó)家，特別是發(fā)達(dá)國(guó)家，面對(duì)老齡人口大幅增加、AD日漸流行的形勢(shì)，已將其視為威脅公共健康和制約社會(huì)發(fā)展的重大戰(zhàn)略問(wèn)題而納入了國(guó)家級(jí)研究計(jì)劃。AD對(duì)人類健康的威脅與挑戰(zhàn)引起了科學(xué)界的高度關(guān)注，目前已成為多學(xué)科攻關(guān)的熱點(diǎn)課題。 盡管早在

2、1906年Alzheimer業(yè)已闡明AD的兩大病理特征，老年斑(SP)和神經(jīng)纖維纏結(jié)(NFT)，但是直至二十世紀(jì)八十年代中期，以SP的主要組分—淀粉樣β肽(Aβ)的發(fā)現(xiàn)為標(biāo)志，AD的分子機(jī)理研究才進(jìn)入了一個(gè)迅速發(fā)展的新時(shí)期。近十余年的研究表明，大腦皮層中Aβ斑和活性氧物種的積聚，可能都與金屬-Aβ作用有關(guān)。金屬-Aβ作用機(jī)理研究已成為AD分子機(jī)理的主流研究方向之一。大腦中Aβ肽的聚集是AD的一個(gè)關(guān)鍵性病理事件。體外研究表明，Aβ并不是自

3、聚集的，某些外部因素，特別是金屬離子是誘導(dǎo)Aβ聚集的重要神經(jīng)化學(xué)因子之一。 本文在大量實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，利用分子模擬方法，主要開(kāi)展了以下三方面的工作： 1、銅(Ⅱ)抑制Aβ肽聚集機(jī)理的分子力學(xué)研究。體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，近生理濃度的Zn(Ⅱ)即有很強(qiáng)的誘導(dǎo)Aβ聚集的能力。Cu(Ⅱ)僅在微酸性條件下表現(xiàn)出聚集誘導(dǎo)效應(yīng)；在寬廣的pH區(qū)間(>7.0)，特別是在生理pH(7.4)和適當(dāng)?shù)臐舛缺?Cu(Ⅱ)/Aβ=4左右)條件下，對(duì)Aβ聚

4、集表現(xiàn)出強(qiáng)烈的抑制效應(yīng)，并且能夠競(jìng)爭(zhēng)性抑制Zn(Ⅱ)的誘導(dǎo)效應(yīng)。Cu(Ⅱ)對(duì)Aβ聚集的抑制效應(yīng)具有潛在的神經(jīng)生理保護(hù)意義，為揭示金屬代謝失衡與AD致病機(jī)理的關(guān)系提供了重要線索。另外，Cu(Ⅱ)作為體內(nèi)Zn(Ⅱ)的潛在抑制劑也引起了人們的關(guān)注。本文首次通過(guò)分子模擬法研究了Cu(Ⅱ)抑制Aβ聚集的機(jī)理。在水分子參與配位的單環(huán)模式中發(fā)現(xiàn)Y10殘基有明顯的促螺旋化作用，[Cu-H13(Nπ)-Y10(OH)]配合物形成了局部準(zhǔn)3.0<,10>螺

5、旋結(jié)構(gòu)。在側(cè)鏈協(xié)同的多環(huán)模式中發(fā)現(xiàn)Q15和E11殘基側(cè)鏈的協(xié)同配位使體系能量大幅降低，變構(gòu)效應(yīng)顯著。配合物[Cu-3N-Q15(O)-E11(O1)]和[Cu-H13(Nπ)-Y10(OH)]由于變構(gòu)為準(zhǔn)螺旋構(gòu)象，極可能以可溶形式存在于溶液中。另外，發(fā)現(xiàn)氫鍵作用是Aβ聚集的主要驅(qū)動(dòng)力。以上結(jié)果將有助于進(jìn)一步加深對(duì)Cu(Ⅱ)與AD致病機(jī)制之間關(guān)系的理解并制定相應(yīng)的“抗淀粉樣沉積”的治療策略。 2、銅(Ⅱ)與Aβ肽鍵合機(jī)理的分子動(dòng)力

6、學(xué)模擬。研究表明，形成Cu(Ⅱ)-Aβ可溶復(fù)合物是Cu(Ⅱ)在一定條件下強(qiáng)烈抑制Aβ聚集的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。Cu(Ⅱ)的配位作用能使Aβ發(fā)生顯著的構(gòu)象轉(zhuǎn)變，并形成具有穩(wěn)定可溶構(gòu)象的Cu(Ⅱ)-Aβ復(fù)合物，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Aβ聚集的抑制。所以，研究Cu(Ⅱ)-Aβ可溶復(fù)合物配位作用的動(dòng)力學(xué)行為和構(gòu)象轉(zhuǎn)變機(jī)理對(duì)理解Aβ的性質(zhì)、金屬介入下的變構(gòu)效應(yīng)以及對(duì)Aβ聚集的影響具有重要意義。由于Aβ的高聚集傾向及其聚集體的難溶性，在原子水平上研究Cu(Ⅱ)-Aβ可溶

7、復(fù)合物的構(gòu)象動(dòng)力學(xué)行為是目前的實(shí)驗(yàn)手段所難以駕馭的。計(jì)算模擬因具有高時(shí)間分辨率和原子水平的表征優(yōu)勢(shì)而被本文應(yīng)用于研究金屬離子介入下Aβ的構(gòu)象轉(zhuǎn)變和聚集機(jī)理。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，我們深入探討了Cu(Ⅱ)-Aβ可溶復(fù)合物配位作用的動(dòng)力學(xué)行為和構(gòu)象轉(zhuǎn)變機(jī)理，建立了基于徑向分布函數(shù)分析的評(píng)價(jià)多齒柔性配體中原子配位作用的Q函數(shù)法，探明了金屬配位殼層構(gòu)筑的詳細(xì)過(guò)程，在原子水平上揭示了Cu(Ⅱ)-AβⅡ可溶復(fù)合物的鍵合機(jī)理，闡明了Aβ主鏈原子的配位競(jìng)

8、爭(zhēng)效應(yīng)、側(cè)鏈原子的配位互斥效應(yīng)和Cu(Ⅱ)的模板效應(yīng)等配位行為的動(dòng)力學(xué)特征。從軌跡分析中發(fā)現(xiàn)，由金屬配位幾何剛性導(dǎo)致的金屬模板效應(yīng)，以及由剛性幾何單元導(dǎo)致的配位原子間的配位互斥效應(yīng)，是影響原子能否配位以及配位優(yōu)先性的重要因素。通過(guò)構(gòu)象分析，發(fā)現(xiàn)了以水為橋的配位鍵一氫鍵協(xié)同驅(qū)動(dòng)的構(gòu)象突變現(xiàn)象。本文結(jié)果為深入理解Cu(Ⅱ)的聚集抑制效應(yīng)提供了理論基礎(chǔ)，為揭示金屬代謝失衡與AD致病機(jī)理的關(guān)系和基于金屬-Aβ作用機(jī)理的藥物設(shè)計(jì)提供了有益線索。

9、 3、Aβ納米管狀類一離子通道結(jié)構(gòu)的分子模擬。AD分子機(jī)理的離子通道假說(shuō)認(rèn)為，Aβ變構(gòu)、組裝成離子通道結(jié)構(gòu)，嵌入膜雙層，造成膜泄漏和鈣穩(wěn)態(tài)失衡，進(jìn)而導(dǎo)致神經(jīng)元的損傷和死亡。盡管越來(lái)越多的證據(jù)支持離子通道假說(shuō)，然而，實(shí)驗(yàn)上迄今尚未得到Aβ通道的高分辨結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用理論方法模建Aβ通道的結(jié)構(gòu)模型，可以對(duì)Aβ通道的形成和離子通透機(jī)理進(jìn)行深入研究。 本文首次模建了Aβ肽納米管狀類一離子通道的結(jié)構(gòu)模型。結(jié)果顯示，氫鍵網(wǎng)絡(luò)是

10、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的主要作用力之一。側(cè)鏈的疏水性分布模式有利于形成嵌入脂雙層的親水性孔道?？椎绤^(qū)域受弱的連續(xù)分布的負(fù)電勢(shì)控制，是其陽(yáng)離子選擇性的基礎(chǔ)；而強(qiáng)的正負(fù)電勢(shì)的間隔分布使結(jié)構(gòu)骨架部分的靜電均衡，是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要因素之一。另外，我們的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Zn(Ⅱ)進(jìn)入負(fù)靜電勢(shì)分布的Aβ管狀結(jié)構(gòu)的孔道后，能夠與對(duì)其有較高親合力的H13的咪唑氮原子和E11的羧基氧原子配位形成穩(wěn)定的螯環(huán)結(jié)構(gòu)。這樣，被孔道螯合的Zn(Ⅱ)，一方面自身占據(jù)了孔道的部分空間，另

11、一方面，它所攜帶的正電荷對(duì)后續(xù)陽(yáng)離子的進(jìn)入形成靜電推斥，從而堵塞孔道，封閉了通道的通透性。這與實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的Zn(Ⅱ)對(duì)Aβ通道的阻斷效應(yīng)相一致?？傊芯拷Y(jié)果為闡釋納米管狀A(yù)β通道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和離子通透性提供了理論依據(jù)。在多學(xué)科的協(xié)同攻關(guān)下，神經(jīng)退行性疾病，這類困擾人類的疑難雜癥，迎來(lái)了一個(gè)“分子與治療”的新時(shí)代，包括AD在內(nèi)的神經(jīng)退行性疾病的致病機(jī)理研究，已進(jìn)入分子水平并取得了一系列重大進(jìn)展；同時(shí)，基于致病機(jī)理的治療藥物和治療方案己陸