Tìm hiểu quá trình cuộn của protein thông qua tác động của ngoại lực

SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TÍNH TỐN BÁO CÁO TỔNG KẾT TÌM HIỂU Q TRÌNH CUỘN CỦA PROTEIN THƠNG QUA TÁC ĐỘNG CỦA NGOẠI LỰC Đơn vị thực hiện: PTN Khoa học sống Chủ nhiệm đề tài: Phạm Đăng Lân TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 10/2018 SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TÍNH TỐN BÁO CÁO TỔNG KẾT TÌM HIỂU Q TRÌNH CUỘN CỦA PROTEIN THƠNG QUA TÁC ĐỘNG CỦA NGOẠI LỰC Viện trưởng: Đơn vị thực hiện: PTN Khoa học sống Chủ nhiệm đề tài: Phạm Đăng Lân Nguyễn Kỳ Phùng Phạm Đăng Lân TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 10/2018 Tìm hiểu q trình cuộn protein thông qua tác động ngoại lực MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ĐƠN VỊ THỰC HIỆN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU I Báo cáo khoa học Tương quan XF tham số cấu trúc điển hình Tham số trật tự P02 11 Kết luận 15 II Tài liệu khoa học xuất 17 III Chương trình giáo dục đào tạo 18 IV Hội nghị, hội thảo 19 V File liệu 20 TÀI LIỆU THAM KHẢO 21 CÁC PHỤ LỤC 24 Phụ lục 1: 24 Article of “A topological order parameter for describing folding free energy landscapes of protein” Phụ lục 2: 24 Thông tin bổ sung Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Trang Tìm hiểu trình cuộn protein thông qua tác động ngoại lực MỞ ĐẦU Thông tin đặc trưng bề mặt lượng tự (FEL) sinh học phân tử quan trọng bước khởi đầu cho kiến thức hồn chỉnh thể sống Tuy nhiên, việc phức tạp phải tìm hiểu đối tượng đa chiều Một cách để vượt qua thách thức vẽ DEL không gian có chiều bao gồm một vài tham số đặc trưng mà giữ lại thông tin quan trọng đối tượng Gần đây, quang phổ học thăm dò lực đơn phân tử (SMFP) trở nên cơng cụ hữu ích để nghiên cứu FEL cách dung lực học với vai trò yếu tố tác động để thăm dò FEL phân tử đàn hồi dẻo DNA RNA [2] tính lực kéo cực đại khoảng vài chục pN Kính hiểm vi dung lực nguyên tử (AFM) thường dùng để nghiên cứu thay đổi protein khoảng vài trăm pN Các thí nghiệm AFM chủ yếu dùng để kéo dãn [1-3,5] làm chậm trình cuộn lại protein [6-11] Khi có lực tác dụng f, bề mặt lượng tự thay đổi cho rào trình kéo dãn giảm lượng ΔΔG‡U = ΔG‡U(f) - ΔG‡U(0), lại thêm vào rào trình cuộn lượng ΔΔG‡F = ΔG‡F(f) - ΔG‡F(0) (Hình 1) Trong ΔG‡U,F(f) ΔG‡U,F(0) rào trình cuộn kéo dãn khơng có lực tác dụng Trong giới hạn lực yếu (lý thuyết Bell) [12], ta xem gần ΔΔG‡F = XFf ΔΔG‡U = -XUf, với XF khoảng cách trạng thái biến tính (DS) trạng thái chuyển pha (TS), XU khoảng cách từ trạng thái (NS) đến trạng thái chuyển pha Trong vùng này, ta tính tham số đặc trưng XF XU FEL từ phụ thuộc tuyến tính thời gian cuộn [6] kéo dãn [2] vào độ lớn lực f Ngoài ra, thực nghiệm kéo dãn protein với tốc độ không đổi v, XU xác định thông qua phụ thuộc tuyến tính lực kéo cực đại vào lnv Trong vùng phi tuyến, người ta dùng biểu thức liên hệ phức tạp phụ thuộc thời gian vào f xét đến dịch chuyển trạng thái TS FEL [13] Nghiên cứu lực học kéo dãn protein [2,14] XU phụ thuộc vào đặc trưng liên kết (CO) [15] cấu trúc bậc hai protein, cụ thể protein có tỉ lệ nhiều cấu trúc dạng β có XU nhỏ Tương ứng người ta quan sát thấy phụ thuộc tuyến tính lực kéo dãn cực đại vào nồng độ β [14,16,17] Câu hỏi chúng tơi đặt cơng trình liệu khoảng cách XF DS TS đặc trưng q trình cuộn có phụ thuộc vào CO tham số cấu trúc khác hay không Chúng rằng, không trường hợp kéo dãn protein [2], XF tương quan với protein lớp β mà khơng có tương quan với protein thuộc lớp α α/β Ngồi ra, khơng có tham số cấu trúc dự đốn XF cho tất lớp protein Do đó, chúng tơi đưa tham số trật tự P02 đặc trưng xếp thành phần cấu trúc bậc hai trạng thái Với mô mơ hình thu gọn Go, chúng tơi nhận thấy rằng, Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Trang Tìm hiểu q trình cuộn protein thông qua tác động ngoại lực thông số trật tự không cải thiện nhiều tương quan với XF tính từ lý thuyết Bell lại có tương quan đáng kể với XF từ lý thuyết phi tuyến Dudko-Hummer-Szabo (DHS) [13] Từ chứng tỏ P02 tốt tham số cấu trúc khác việc mô tả bề mặt lượng tự trình cuộn protein Hình Minh họa FEL chiều khơng có lực (màu xanh) có mặt lực f (màu đỏ) Lời cảm ơn đến ICST: Cảm ơn Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn Tp Hồ Chí Minh hỗ trợ nghiên cứu Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Trang Tìm hiểu q trình cuộn protein thơng qua tác động ngoại lực ĐƠN VỊ THỰC HIỆN Phịng thí nghiệm: Khoa học sống Chủ nhiệm đề tài: Phạm Đăng Lân Thành viên đề tài: GS.TSKH Mai Xuân Lý Phan Minh Trường Cơ quan phối hợp: Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Trang Tìm hiểu q trình cuộn protein thơng qua tác động ngoại lực KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU I BÁO CÁO KHOA HỌC Bề mặt lượng tự mơ tả tham số cấu trúc protein P02 tham số có tương quan tốt với khoảng cách cuộn XF trạng thái biến tính (DS) trạng thái chuyển pha (TS) Tương quan XF tham số cấu trúc điển hình 1.1 Gần Bell Quá trình cuộn lại protein nhạy cảm với lực tác động bên [4,37-39] nhìn chung khoảng cách XF từ trạng thái biến tính đến trạng thái chuyển pha phụ thuộc vào cường độ lực Trong gần Bell, khoảng cách xem không đổi vùng lực đủ nhỏ [37] tính XF từ biểu thức phụ thuộc thời gian cuộn τf vào độ lớn ngoại lực [12]: (2) Trong τ0 thời gian cuộn khơng có lực Trong cơng trình trước [19] chúng tơi chứng tỏ có chuyển pha từ vùng lực yếu sang vùng lực trung bình Trong vùng lực yếu lộ trình cuộn tương tự khơng có lực (vùng thăng giáng nhiệt) phụ thuộc thời gian vào ngoại lực mơ tả phương trình (2) với khoảng cách XF1 Trong vùng lực trung bình xem vùng đo thực nghiệm AFM [19] phụ thuộc τf vào f cho phương trình (2) nhiên với khoảng cách XF2 XF1 < XF2 Trong cơng trình chúng tơi quan sát hai vùng lực phân cách giá trị fswitch (Hình S1-S3 thơng tin bổ sung (SI)) cho nhiều protein protein chia thành ba lớp α, β α/β Sử dụng phương trình liệu từ hình chúng tơi tìm XF1 XF2 cho hai vùng lực (Bảng 1) XF khác đáng kể protein Một số protein chẳng hạn 1NTI (α-protein) 2RN2 (a/b-protein) có XF lớn chứng tỏ chúng nhạy cảm với lực hãm khó cuộn lại trạng thái Tương quan XF tham số cấu trúc cho protein lớp β Như biết protein chứa nhiều thành phần α cuộn nhanh protein β [15,40] tốc độ cuộn tương quan với tham số đặc trưng cho NS chẳng hạn bậc liên kết (CO) biến thể [15,41,42], chiều dài protein (L) [43] bán kính mặt cắt ((VASA/SASA)2) [32] Các nghiên Viện Khoa học Công nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Trang Tìm hiểu q trình cuộn protein thơng qua tác động ngoại lực cứu trình kéo giãn học protein có tương quan Xu CO [2,14] Một câu hỏi thú vị đặt ra: liệu khoảng cách XF có tương quan với tham số cấu trúc hay không Ở protein lớp β khơng có tương quan với tham số bậc cấu trúc tương đối RCO có tương quan với bậc cấu trúc tuyệt đối ACO với độ tương quan R=0.67 0.74 cho XF1 XF2 ( Hình 2) Độ tương quan tương tự thu tham số L2/3 (R=0.64 cho XF1 0.68 cho XF2) bán kính cầu Rg (R=0.72 cho XF1 0.69 cho XF2) Tham số (VASA/SASA)2 mô tả độ compact protein có tương quan với khoảng cách DS TS độ tương quan thấp so với ACO L2/3 (R=0.57 0.65 cho XF1 XF2) Để kiểm chứng độ tin cậy tương quan XF tham số cấu trúc từ phép hồi quy tuyến tính chúng tơi tính giá trị p minh họa hình vẽ tương ứng Lấy tiêu chuẩn đáng tin cậy pj−3  ! 12 NNC X → −→ c − + εH − f R rij