Ảnh hưởng của caspase 3 và các đột biến tại đầu c lên cấu trúc và sự tự ngưng tụ của các peptide amyloid beta

SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TÍNH TỐN BÁO CÁO TỔNG KẾT Ảnh hưởng caspase-3 đột biến đầu C lên cấu trúc tự ngưng tụ peptide amyloid beta Đơn vị thực hiện: PTN Khoa học Sự sống Chủ nhiệm đề tài: Mai Xuân Lý TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 7/2016 SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TÍNH TỐN BÁO CÁO TỔNG KẾT Ảnh hưởng caspase-3 đột biến đầu C lên cấu trúc tự ngưng tụ peptide amyloid beta Viện trưởng: Đơn vị thực hiện: PTN Khoa học Sự sống Chủ nhiệm đề tài: Mai Xuân Lý Nguyễn Kỳ Phùng Mai Xuân Lý TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 7/2016 Ảnh hưởng caspase-3 đột biến đầu C lên cấu trúc tự ngưng tụ peptide amyloid beta MỤC LỤC MỞ ĐẦU Trang ĐƠN VỊ THỰC HIỆN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU I Báo cáo khoa học II Tài liệu khoa học xuất III Chương trình giáo dục đào tạo IV Hội nghị, hội thảo 10 11 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO 13 CÁC PHỤ LỤC 14 Phụ lục 1: Bài báo “Alzheimer's Amyloid-β Sequesters Caspase-3 in vitro via its C-terminal Tail” Phụ lục 2: Bài báo “Aβ41 Aggregates More Like Aβ40 Than Aβ42: In silico and in vitro Study” Phụ lục 3: Bài báo “Impact of mutations at Gly33-Val36-Gly38 on structures and dynamics of Aβ40 and Aβ42 : Molecular simulation study” Phụ lục 4: Bài báo “Picosecond infrared laser-induced all-atom nonequilibrium molecular dynamics simulation of dissociation of virus” Viện Khoa học Công nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Ảnh hưởng caspase-3 đột biến đầu C lên cấu trúc tự ngưng tụ peptide amyloid beta MỞ ĐẦU Sự tự tập hợp amyloid beta (Aβ) peptide thành mảng lão suy (senile) tin có liên quan với bệnh Alzheimer (AD), chứng bệnh suy giảm trí tuệ phổ biến người lớn tuổi Hiện khơng có cách chữa trị AD, người ta bỏ nhiều công sức để hiểu cấu trúc peptide Aβ yếu tố chi phối tự ngưng tụ chúng Các hiểu biết vấn đề có ích cho việc tìm kiếm công cụ hiệu để chống lại AD Khám nghiệm lâm sàng não bệnh nhân AD phát protein caspase-3 tập trung mảng lão suy nghiên cứu sinh hóa Aβ gây q trình tự hủy diệt (apoptosis) tế bào thần kinh thơng qua kích hoạt caspase-3 Trong đề tài này, tiến hành nghiên cứu in-silico nhằm hiểu rõ chế phân tử tương tác Aβ caspase-3 ảnh hưởng caspase-3 lên cấu trúc động lực học peptide Aβ Các tác động Aβ lên caspase-3 kiểm tra nghiên cứu enzyme in-vitro cộng Người ta biết đột biến thay đổi độc tính, tập trung tốc độ hình thành sợi peptide Aβ Vì vùng turn 21-23 peptide Aβ đóng bước quan trọng trình tạo sợi, nhiều nghiên cứu thực nghiệm lí thuyết thực đột biến khác vùng Các đột biến đầu N (N-terminal) A2V, A2T, English (H6R), Tottori (D7N) Taiwan (D7H) nghiên cứu chi tiết chúng thay đổi đáng kể động lực học q trình tích tụ độc tính với tế bào Các nghiên cứu thực nghiệm gần cho thấy việc thay acid amin G33V-V36P-G38V đầu C (C-terminal) Aβ40 khiến trình ngưng tụ peptide giống với Aβ42 Aβ40 đột biến độc đáng kể so với Aβ40 câu hỏi thú vị khơng lý thuyết trả lời Do đó, mục đích chúng tơi hiểu rõ mức độ nguyên tử Aβ40 với đột biến điểm lại giống Aβ42 mô động lực học phân tử Chúng nghiên cứu tác động đột biến điểm G33V-V36N-G38L lên cấu trúc Aβ pepide Ngoài hai vấn đề đề tài chúng tơi nghiên cứu ảnh hưởng hai amino axit cuối Ile41 and Ala42 lên khả tự hợp Aβ phá hủy virus chiếu tia laser hồng ngoại Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Ảnh hưởng caspase-3 đột biến đầu C lên cấu trúc tự ngưng tụ peptide amyloid beta ĐƠN VỊ THỰC HIỆN Phịng thí nghiệm: Chủ nhiệm đề tài: Thành viên đề tài: Khoa học Sự sống Mai Xuân Lý (Mai Suan Li) CN Vương Văn Quân CN Nguyễn Trường Cơ ThS Ngơ Sơn Tùng CN Nguyễn Hồng Linh ThS Phạm Đình Quốc Huy ThS.Phan Minh Trường THS Phạm Đăng Lâm CN Nguyễn Trung Tín Cơ quan phối hợp: …………………… Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Ảnh hưởng caspase-3 đột biến đầu C lên cấu trúc tự ngưng tụ peptide amyloid beta KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU I BÁO CÁO KHOA HỌC Tương tác protein caspase-3 với peptide Aβ Amyloid-β (Aβ), thành phần mảng lão hóa tìm thấy não bệnh nhân Alzheimer (AD), xem nguyên nhân gây bệnh AD [1] Các kiểm tra lâm sàng não bệnh nhân AD chứng minh caspase-3 nằm với mảng lão hóa Các nghiên cứu tế bào Aβ làm chết tế bào thần kinh thơng qua hoạt tính caspase-3 Ở thực nghiên cứu sinh hóa mơ để tìm hiểu tác dụng trực tiếp Aβ lên caspase-3 nhằm hiểu chế phân tử tương tác Aβ caspase-3 Chúng tơi thấy cấu trúc Aβ ngăn chặn trực tiếp đặc hiệu hoạt tính caspase-3 [2] Aβ42 mạnh Đây ức chế không cạnh tranh, vùng thuộc đầu C Aβ giữ vai trò quan trọng khả ức chế Sự bám Aβ vào caspase-3 quan sát thí nghiệm lưu hóa phân giải protein, docking mô động học phân tử với tất nguyên tử Các kết thực nghiệm cho thấy Aβ42 bám tốt Aβ40 vùng đầu C kỵ nước đóng vai trị quan trọng tương tác Aβ-caspase Nhìn chung, nghiên cứu mô tả chế chứng tỏ Aβ lập hoạt tính caspase-3 thơng qua tương tác trực tiếp, hỗ trợ để phát triển liệu pháp điều trị AD tương lai Các kết cơng bố [2] Ảnh hưởng đột biến ba (triple mutation) vùng G33-V36-G38 lên cấu trúc động học Aβ40 Aβ42 Như biết, đột biến thay đổi đáng kể cấu trúc tốc độ tụ tập Aβ dẫn tới thay đổi độ độc gây Aβ neuron thần kinh [1] Vì lẽ nghiên cứu độ biết vị trí khác đề tài nóng thập niên qua Đặc biệt thí nghiệm gần [3] cho thấy đột biến ba G33V-V36P-G38V (VPV) Aβ40 làm cho peptid oligomer hóa giống Aβ42 Được khích lệ kết lý thú tiến hành mô động học phân tử toàn phần μs cho Aβ40 Aβ42 nguyên gốc (wild type) đột biến VPV Để xét nhiều cấu hình chúng tơi sử dụng phương pháp trao đổi mẫu nước không tường minh [4] Các đột biến ba VNL (G33V-V36N-G38L), VDL (G33V-V36D-G38L) đột biến đơn V36D khảo sát Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Ảnh hưởng caspase-3 đột biến đầu C lên cấu trúc tự ngưng tụ peptide amyloid beta Có thể chứng minh [4] trạng thái cân đạt sau 200 ns Do để tính đại lượng liên quan trạng thái cân sử dụng cấu hình xuất 800 ns cuối Phân bố cấu trúc bậc hai cho residue nhận trạng thái cân mô tả tên hình cho hệ Aβ40 Aβ42 Rõ ràng, phù hợp với nghiên cứu trước [1], đầu C Aβ42 nguyên thể bền Aβ40 ngun thể có hàm lượng β cao Hình Phân bố cấu trúc bậc hai cho residue Aβ40 đột biến Kết nhận trạng thái cân T=311 K Với đột biến VPV peptid Aβ40 trở nên bền vững hàm lượng β tăng từ 8.74% đến 14.98% (Bảng 1) gái trị gần với 18.7% Aβ42 nguyên thể (Table 2) Kết trùng với thực nghiệm [3] đột biến VPV làm Aβ40 tự hợp nhanh Aβ42 nguyên thể Từ bảng rõ ràng đột biến VNL VDL tăng lượng β Aβ40 gần giống đột biến VPV Điều chứng tỏ đột biến ba đẩy nhanh trình tụ hợp Aβ40 Sẽ thú vị kiểm chứng tiên đốn thí nghiệm ống nghiệm Chúng tơi tiên đoán đột biến đơn V36D làm suy giảm khả tự hợp Aβ42 Aβ40 làm cấu trúc monomer bền vững (Bảng 2) Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Ảnh hưởng caspase-3 đột biến đầu C lên cấu trúc tự ngưng tụ peptide amyloid beta Hình Giống Hình cho Aβ42 đột biến Table Cấu trúc bậc hai trung bình Aβ40 đột biến Kết nhận trạng thái cân T=311K Content (%) Aβ40 Wild type VNL VPV VDL V36D β 8.74 13.78 14.98 17.28 4.94 α 3.89 1.75 1.53 5.06 3.62 Turn 65.69 59.17 59.70 57.73 74.59 Coil 18.45 22.27 21.69 19.93 16.85 Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Ảnh hưởng caspase-3 đột biến đầu C lên cấu trúc tự ngưng tụ peptide amyloid beta Table Cấu trúc bậc hai trung bình Aβ42 đột biến Kết nhận trạng thái cân T=311K Content (%) Aβ42 Wild type VNL VPV VDL V36D β 18.7 22.1 21.79 24.13 14.75 α 2.09 4.07 2.53 4.47 3.66 Turn 60.01 56.73 54.74 52.66 60.97 Coil 15.95 17.11 18.33 18.74 20.62 Vai trò hai residue cuối Ile41 Ala42 với xu hướng tích tụ peptide Aβ Sự hình thành mảng bám nội bào oligomer nhỏ peptide Aβ bên tế bào thần kinh dấu hiệu bệnh Alzheimer Các dạng Aβ xuất phổ biến não Aβ40 Aβ42 gồm 40 42 residue Aβ42 khác có thêm residue Ile41 Ala42 song lại cho thấy khả tích tụ nhanh có độc tính cao Aβ40 Vì vậy, cần thiết phải hiểu đóng góp tương ứng Ile41 Ala42 vào biểu đặc trưng Để làm việc này, cấu trúc bậc hai monomer Aβ41 góp phần vào xu hướng tích tụ nghiên cứu mô động học phân tử trao đổi replica với toàn nguyên tử dung mơi ẩn đem so sánh với đóng góp Aβ40 Aβ42 Chúng tơi nhận thấy mật độ cấu trúc bậc hai Aβ41 gần với Aβ40 với Aβ42 chứng tỏ Aβ41 Aβ40 có tính chất tương tự với tích tụ Dự đốn kiểm chứng thí nghiệm đo tích tụ phổ Th-T Do phát residue kỵ nước vị trí 42 đóng góp chủ yếu vào gia tăng tốc độ hình thành sợi tạo độc tính peptide Aβ Các kết công bố [5] Diệt virus liệu pháp chiếu xạ laser hồng ngoại Từ thực thể virus virus khảm thuốc gây bệnh thực vật phát vào cuối thập niên 1980, hầu hết loại virus xem mầm bệnh đề kháng bệnh Tuy nhiên gần virus khai thác công nghệ nano cho ứng dụng lĩnh vực y sinh khoa học vật liệu Với mục đích này, phần lớn phương pháp công cụ phát triển để cải thiện độ bền vật lý điều kiện lý, hóa khắc nghiệt mà Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Ảnh hưởng caspase-3 đột biến đầu C lên cấu trúc tự ngưng tụ peptide amyloid beta hạt nano virus trải qua suốt trình tinh lọc, điều chế, dự trữ sử dụng Tuy vậy, có số nghiên cứu quan trọng liên quan đến việc phát triển phương pháp hiệu để phân hủy tái chế vật liệu sinh học có độ bền cao Quan tâm đến vấn đề này, thực mô động học phân tử không cân với tất nguyên tử dựa ý tưởng dùng công nghệ xung laser điện tử tự hồng ngoại để tiêu diệt virus phát triển gần Lấy virus bại liệt làm ví dụ tiêu biểu, chúng tơi nhận thấy giai đoạn q trình phá hủy cộng hưởng mạnh mode dao động nhóm chức amide I virus tần số laser điều chỉnh Quá trình định cân sinh hủy lớp vỏ protein, phản ánh độ dẻo cao virus Hơn nữa, phương pháp cung cấp cách tiếp cận để mô virus mà không tốn nhiều thời gian so với mô cân với tất nguyên tử mà hệ có kích thước lớn Cơng trình chúng tơi [6] đưa chứng khái niệm giúp tạo phương thức mới, hiệu để hủy tái chế vật liệu chứa virus, cung cấp cơng cụ có ích nhằm hiểu rõ khía cạnh học virus đóng góp vai trị quan trọng tương lai đấu tranh chống lại bệnh có liên quan đến virus Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Ảnh hưởng caspase-3 đột biến đầu C lên cấu trúc tự ngưng tụ peptide amyloid beta II CÁC TÀI LIỆU KHOA HỌC ĐÃ XUẤT BẢN Đã xuất (1) Yu-Jen Chang, Nguyen Hoang Linh, Yao Hsiang Shih, Hui-Ming Yu, Mai Suan Li, and Yun-Ru Chen, Alzheimer's Amyloid-β Sequesters Caspase-3 in vitro via its C-terminal Tail”, ACS Chemical Neuroscience, DOI: 10.1021/acschemneuro.6b00049 (2) Nguyen Hoang Linh, Tran Thi Minh Thu, Phan Minh Truong, Pham Dang Lan, Man Hoang Viet, Phuong H Nguyen, Ly Anh Tu, Yi-Cheng Chen, and Mai Suan Li, Aβ41 Aggregates More Like Aβ40 Than Aβ42: In silico and in vitro Study, J Phys Chem B, DOI: 10.1021/acs.jpcb.6b06368 (3) M.H Viet, N.T.V Oanh, Philippe Derreumaux, Mai Suan Li, Christopher Roland,Celeste Sagui and Phuong H Nguyen, Picosecond infrared laser-induced all-atom nonequilibrium molecular dynamics simulation of dissociation of virus, Phys Chem Chem Phys 18, 11951-11958 (2016) Đang chuẩn bị xuất (1) Nguyen Hoang Linh, Tran Thi Minh Thu and Mai Suan Li, Impact of mutations at Gly33-Val36-Gly38 on structures and dynamics of Aβ40 and Aβ42 : Molecular simulation study, in preparation Viện Khoa học Công nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page 10 Ảnh hưởng caspase-3 đột biến đầu C lên cấu trúc tự ngưng tụ peptide amyloid beta III CHƯƠNG TRÌNH GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Đào tạo thạc sĩ Nguyễn Trường Cơ (Đã bảo vệ, Tháng 12 2015) Nguyễn Hoàng Linh Nguyễn Trung Tín (Dự kiến bảo vệ tháng 12 2016) Đào tạo tiến sĩ Ngô Sơn Tùng (Đã bảo vệ, Tháng 12 2015) Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page 11 Ảnh hưởng caspase-3 đột biến đầu C lên cấu trúc tự ngưng tụ peptide amyloid beta IV HỘI NGHỊ, HỘI THẢO Báo cáo mời a Mai Suan Li, Protein aggregation: Key principles and applications, 3rd International Workshop on Theoretical and Computational Physics (IWTCP-3):Complex Systems and Interdisciplinary Physics, Da Lat, July 27-30 2015 b Mai Suan Li, Drug design by molecular simulations and in vitro experiments, The 6th International Conference on the Development of Biomedical Engineering in Vietnam, Ho Chi Minh city, June 27-29 2016 Báo cáo treo tường (poster) Các báo cáo sau trình bày Hội nghị 3rd International Workshop on Theoretical and Computational Physics (IWTCP-3):Complex Systems and Interdisciplinary Physics, Da Lat, July 27-30 2015: a Binding of F-19848 A and Natural Compounds to CD44: Implications to Breast Cancer Nguyen Trung Tin (Institute of Computational Science and Technology (ICST)) b Effect of Taiwan mutation (D7H) on structures of amyloid beta peptides: replica exchange molecular dynamics study Phan Minh Trường , ICST c Alzheimer’s Amyloid-β Sequesters Caspase-3 via its C-terminal Tail Nguyen Hoang Linh , ICST d Preformed template fluctuations promote fibril formation: Insights from lattice and allatom models Nguyen Truong Co, ICST e Interactions between small molecules and amyloid beta peptides: Implications for Alzheimer’s disease Ngo Son Tung, ICST and IoP PAS f Protein refolding under an external mechanical force Pham Dang Lan, ICST g A New Method for Determination of Optimal Pulling Direction for ligand from Binding Pocket: Application to Ranking Binding Affinity by Steered Molecular Dynamics Vuong Van Quan, ICST h Analysis of Binding Affinity of Derivatives of Vitamin K3 to Fibrils of Aβ peptides Vu Thi Mui, ICST Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page 12 Ảnh hưởng caspase-3 đột biến đầu C lên cấu trúc tự ngưng tụ peptide amyloid beta TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nasica-Labouze, J.; Nguyen, P H.; Sterpone, F.; Berthoumieu, O.; Buchete, N V.; Cote, S.; De Simone, A.; Doig, A J.; Faller, P.; Garcia, A., Mai Suan Li, et al Amyloid Beta Protein and Alzheimer's Disease: When Computer Simulations Complement Experimental Studies Chem Rev 2015, 115, 3518-3563 [2] Yu-Jen Chang, Nguyen Hoang Linh, Yao Hsiang Shih, Hui-Ming Yu, Mai Suan Li, and YunRu Chen, Alzheimer's Amyloid-β Sequesters Caspase-3 in vitro via its C-terminal Tail”, ACS Chemical Neuroscience, DOI: 10.1021/acschemneuro.6b00049 [3] Roychaudhuri R, et al C-terminal turn stability determines assembly differences between Aβ40 and Aβ42 J Mol Biol 2013;425(2):292-308 doi:10.1016/j.jmb.2012.11.006 [4] Nguyen Hoang Linh, Tran Thi Minh Thu and Mai Suan Li, Impact of mutations at Gly33Val36-Gly38 on structures and dynamics of Aβ40 and Aβ42 : Molecular simulation study, in preparation [5] Nguyen Hoang Linh, Tran Thi Minh Thu, Phan Minh Truong, Pham Dang Lan, Man Hoang Viet, Phuong H Nguyen, Ly Anh Tu, Yi-Cheng Chen, and Mai Suan Li, Aβ41 Aggregates More Like Aβ40 Than Aβ42: In silico and in vitro Study, J Phys Chem B, DOI: 10.1021/acs.jpcb.6b06368 [6] M.H Viet, N.T.V Oanh, Philippe Derreumaux, Mai Suan Li, Christopher Roland,Celeste Sagui and Phuong H Nguyen, Picosecond infrared laser-induced all-atom nonequilibrium molecular dynamics simulation of dissociation of virus, Phys Chem Chem Phys 18, 1195111958 (2016) Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page 13 Ảnh hưởng caspase-3 đột biến đầu C lên cấu trúc tự ngưng tụ peptide amyloid beta CÁC PHỤ LỤC PHỤ LỤC Bài báo: Alzheimer's Amyloid-β Sequesters Caspase-3 in vitro via its C-terminal Tail Tạp chí: ACS Chemical Neuroscience, DOI: 10.1021/acschemneuro.6b00049 Tác giả: Yu-Jen Chang*, Nguyen Hoang Linh*, Yao Hsiang Shih, Hui-Ming Yu, Mai Suan Li+, and Yun-Ru Chen+ *Contributed equally +Corresponding authors Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page 14 Ảnh hưởng caspase-3 đột biến đầu C lên cấu trúc tự ngưng tụ peptide amyloid beta PHỤ LỤC Bài báo: Aβ41 Aggregates More Like Aβ40 Than Aβ42: In silico and in vitro Study Tạp chí: J Phys Chem B, DOI: 10.1021/acs.jpcb.6b06368 Tác giả: Nguyen Hoang Linh, Tran Thi Minh Thu, Phan Minh Truong, Pham Dang Lan, Man Hoang Viet, Phuong H Nguyen, Ly Anh Tu, Yi-Cheng Chen, and Mai Suan Li Viện Khoa học Công nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page 15 Ảnh hưởng caspase-3 đột biến đầu C lên cấu trúc tự ngưng tụ peptide amyloid beta PHỤ LỤC Bài báo: Impact of mutations at Gly33-Val36-Gly38 on structures and dynamics of Aβ40 and Aβ42: Molecular simulation study Tạp chí: N/A (đang chuẩn bị) Tác giả: Nguyen Hoang Linh, Tran Thi Minh Thu and Mai Suan Li Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page 16 Ảnh hưởng caspase-3 đột biến đầu C lên cấu trúc tự ngưng tụ peptide amyloid beta PHỤ LỤC Bài báo: Picosecond infrared laser-induced all-atom nonequilibrium molecular dynamics simulation of dissociation of virus Tạp chí: Phys Chem Chem Phys 18, 11951-11958 (2016) Tác giả: M.H Viet, N.T.V Oanh, Philippe Derreumaux, Mai Suan Li, Christopher Roland,Celeste Sagui and Phuong H Nguyen Viện Khoa học Công nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page 17