Xác định cấu trúc tetramer của peptide amyloid beta mô phỏng động lực học phân tử

SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TÍNH TỐN BÁO CÁO TỔNG KẾT Xác định cấu trúc tetramer peptide amyloid beta: Mô động lực học phân tử Đơn vị thực hiện: PTN Khoa học sống Chủ nhiệm nhiệm vụ: Nguyễn Hồng Linh TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12/2019 SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TÍNH TỐN BÁO CÁO TỔNG KẾT Xác định cấu trúc tetramer peptide amyloid beta: mô động lực học phân tử Viện trưởng: Nguyễn Kỳ Phùng Đơn vị thực hiện: PTN Khoa học sống Chủ nhiệm nhiệm vụ: Nguyễn Hoàng Linh Nguyễn Hồng Linh TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12/2019 Xác định cấu trúc tetramer peptide amyloid beta: mô động lực học phân tử MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ĐƠN VỊ THỰC HIỆN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU I Báo cáo khoa học II Tài liệu khoa học xuất 16 III Chương trình giáo dục đào tạo 17 IV Hội nghị, hội thảo 18 V File liệu 19 TÀI LIỆU THAM KHẢO 20 CÁC PHỤ LỤC 21 PHỤ LỤC 1: Bài báo “Structure and Physicochemical Properties of the Aβ42 Tetramer: Multiscale Molecular Dynamics Simulations” Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh 21 Page Xác định cấu trúc tetramer peptide amyloid beta: mô động lực học phân tử MỞ ĐẦU Mặc dù trải qua nhiều năm nghiên cứu, thông tin cấu trúc oligomer diện suốt trình tiến triển bệnh Alzheimer (AD) biết cách hạn chế Sự tích tụ mức peptide amyloid beta (Aβ) dạng tích tụ chúng sở giả thuyết amyloid cascade, nỗ lực nhằm giải thích nguyên nhân gây bệnh AD Do đặc tính trật tự monomer Aβ tốc độ kết tụ cao oligomer, cấu trúc chúng gần xác định phương pháp thực nghiệm Vì lí này, sử dụng trường lực hạt thô từ vật lý để tìm kiếm rộng khơng gian cấu hình tetramer Aβ42, phân tử cho loại oligomer ổn định nhỏ có độc tính cao Các cấu trúc thu sau tối ưu hố, kiểm tra tính ổn định so sánh với mơ hình thực nghiệm sợi, sử dụng mô động lực học phân tử hai trường lực tất nguyên tử phổ biến Các kết chúng tơi cho thấy tetramer Aβ42 hình thành nhiều cấu trúc ổn định, điều giải thích lộ trình kết tụ khác Aβ Các mơ hình thu gồm chuỗi lõi vỏ, đó, khác biệt đáng kể với cấu trúc sợi hồn chỉnh Chúng tơi phát tương tác với nước lí tetramer compact khơ sợi Các đặc tính hố lý mơ hình cấu trúc tất ngun tử phù hợp với liệu thực nghiệm có dự đốn lí thuyết Do chúng tơi cung cấp mơ hình cho nghiên cứu sau thiết kế oligomer bậc cao Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Xác định cấu trúc tetramer peptide amyloid beta: mô động lực học phân tử Lời cảm ơn đến ICST Nhiệm vụ tài trợ Sở Khoa học Công nghệ Tp Hồ Chí Minh Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP HCM thơng qua hợp số 03/2018/HĐSKHCN ngày 1/12/2018 Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Xác định cấu trúc tetramer peptide amyloid beta: mô động lực học phân tử ĐƠN VỊ THỰC HIỆN Phịng thí nghiệm: Khoa học sống Chủ nhiệm nhiệm vụ: Nguyễn Hoàng Linh Thành viên nhiệm vụ: Mai Xuân Lý Hồ Anh Kiệt Cơ quan phối hợp: Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Xác định cấu trúc tetramer peptide amyloid beta: mô động lực học phân tử KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU I BÁO CÁO KHOA HỌC Các tính chất hố lý tetramer Aβ42 nghiên cứu mô động lực học phân tử đa kích cỡ (The journal of physical chemistry B, 123, 34, 7253-7269 (2019)) Được thúc đẩy kết độc tính oligomer Aβ1-42 vai trị quan trọng cấu trúc oligomer trình tự kết tụ1, 2, đề tài này, tiến hành mô động lực học phân tử (MD) sử dụng mơ hình hạt thơ kết hợp phương pháp replica exchange (REMD) mô MD với tất nguyên tử cho tetramer Aβ1-42, số oligomer có độc tính cao nhất1 Vì hệ có tính đa dạng cấu hình cao xuất bốn chuỗi mềm dẻo linh hoạt, sử dụng trường lực hạt thô UNRES3-6 để giảm yêu cầu tài nguyên tính tốn cải thiện khả lấy mẫu khơng gian pha Mơ hình UNRES cho phép mơ hệ protein với thang thời gian hiệu dụng lớn 3-4 bậc độ lớn so với phương pháp tất ngun tử Bằng mơ hình này, chúng tơi mơ tetramer thang thời gian dài đáng kể khoảng nhiệt độ rộng so với mơ hình tất ngun tử, khơng địi hỏi hệ thống tính tốn song song lớn Ở bước hai, mô MD cổ điển với tất nguyên tử sử dụng để đánh giá tính ổn định tinh luyện cấu trúc xây dựng từ mơ hình hạt thơ Các kết chúng tơi cho thấy tetramer Aβ chủ yếu gồm cấu trúc ngẫu nhiên có hình cầu dẹt Sự khác biệt lượng tetramer sợi cho thấy việc thay đổi triệt để cấu trúc oligomer để hình thành sợi, vốn liên quan mật thiết với thay đổi cấu trúc ba chiều oligomer nhỏ thành dạng sợi giả chiều Tương tác chất hồ tan-dung mơi chịu trách nhiệm cho khác biệt cấu trúc oligomer sợi Vấn đề diện nước sợi Aβ cịn tranh cãi Các thí nghiệm ban đầu không phát nước lõi sợi7, thí nghiệm NMR sau cung cấp chứng tồn chúng8, Kết xác nhận mô MD tất nguyên tử10 sử dụng cấu trúc sợi phân tích thực nghiệm thiết kế máy tính Câu hỏi khác biệt phân bố nước oligomer sợi Aβ bỏ ngỏ Thêm vào đó, rị rỉ nước đóng vai trị định việc gây độc tế bào thần kinh oligomer cho có độc tính cao sợi hồn chỉnh, chúng tơi xem xét vấn đề trường hợp tetramer Cấu trúc tetramer Aβ1-42 thu đề tài sử dụng cấu hình ban đầu để xây dựng oligomer bậc cao nghiên cứu tương lai trình kết tụ amyloid Vì đề tài cấu trúc đầy đủ độ dài Aβ1-42 sử dụng, gọi Aβ42 suốt báo cáo này, thay Aβ1-42, để rõ ràng Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Xác định cấu trúc tetramer peptide amyloid beta: mô động lực học phân tử Phương pháp nghiên cứu a Tạo cấu trúc ban đầu Để cải thiện khả lấy mẫu không gian cấu hình, chúng tơi sử dụng nhiều cấu trúc làm cấu hình ban đầu cho mơ REMD UNRES Chúng tạo từ webserver ClusPro 2.0 (https://cluspro.bu.edu/), vốn thiết kế cho docking protein-protein với kết có độ tin cậy cao11, với hàm tính điểm docking mặc định dùng cho mô docking12 Ở bước đầu, 24 cấu trúc trimer thu mô docking dùng monomer dimer lấy từ nghiên cứu Yang et al Zhang et al.13, 14 Sau đó, 24 cấu trúc trimer cấu trúc monomer để tạo tetramer Aβ42, từ 24 cấu trúc có lượng thấp tetramer số 216 cấu hình thu dùng làm cấu trúc ban đầu mô REMD (Hình 1) với 24 replica Hình 1: Các cấu trúc ban đầu mô REMD UNRES thu cách docking cấu trúc monomer vào trimer b Mô động lực học phân tử Trong đề tài này, 24 replica với nhiệt độ từ 292 tới 462 K sử dụng Mỗi quỹ đạo gồm 409 000 000 bước, bước 0.1 đơn vị thời gian phân tử4 (4.89 fs, đơn vị thời gian tự nhiên lượng biểu diễn kcal/mol, khối lượng g/mol, khoảng cách Å), tương đương 2000 ns Việc trao đổi replica tiến hành sau 1000 bước, cấu hình thơng tin khác lưu 1000 bước Để đánh giá tính ổn định cấu hình đại diện tetramer Aβ42, thu từ mô REMD hạt thô, phân tích cấu trúc trường lực tất Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Xác định cấu trúc tetramer peptide amyloid beta: mô động lực học phân tử ngun tử với mơ hình nước tường minh Các mơ MD thực gói phần mềm GROMACS 201615 Chi tiết q trình thực mơ phương pháp phân tích liệu trình bày báo đăng chúng tôi16 (Phụ lục 1) Kết nghiên cứu a Cấu trúc tetramer từ mô REMD Giai đoạn cân mô 295.6 K dùng để phân nhóm (cluster) thu nhóm cấu trúc, cấu trúc trung tâm chọn làm cấu hình đại diện (Hình 2) Các mơ hình dùng mơ tất nguyên tử Hình 2: Biểu diễn cấu trúc bậc hai cấu hình đại diện cho nhóm thu từ mơ REMD UNRES Các cầu màu xanh lơ biểu diễn đầu N, cầu màu cam biểu diễn đuôi C b Cấu trúc đại diện mô tất nguyên tử Tương tự mô hạt thô, thu cấu trúc đại diện cấu trúc trung tâm cluster lớn từ tất quỹ đạo với cấu trúc ban đầu lấy từ mơ hình hạt thơ (Hình 3-7) Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Xác định cấu trúc tetramer peptide amyloid beta: mơ động lực học phân tử Hình 3: Các cấu trúc đại diện từ mô MD tất nguyên tử cluster mô REMD UNRES Các cầu màu xanh lơ biểu diễn đầu N, cầu màu cam biểu diễn C Hình 4: Các cấu trúc đại diện từ mô MD tất nguyên tử cluster mô REMD UNRES Các cầu màu xanh lơ biểu diễn đầu N, cầu màu cam biểu diễn đuôi C Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Article The Journal of Physical Chemistry B (110) Rosenman, D J.; Connors, C R.; Chen, W.; Wang, C.; García, A E Aβ Monomers Transiently Sample Oligomer and Fibril-Like Configurations: Ensemble Characterization Using a Combined MD/ NMR Approach J Mol Biol 2013, 425, 3338−3359 (111) Ball, K A.; Phillips, A H.; Wemmer, D E.; Head-Gordon, T Differences in β-strand Populations of Monomeric Aβ40 and Aβ42 Biophys J 2013, 104, 2714−2724 (112) Ahmed, M.; Davis, J.; Aucoin, D.; Sato, T.; Ahuja, S.; Aimoto, S.; Elliott, J I.; Van Nostrand, W E.; Smith, S O Structural conversion of neurotoxic amyloid-β1-42 oligomers to fibrils Nat Struct Mol Biol 2010, 17, 561 (113) Huy, P D Q.; Vuong, Q V.; La Penna, G.; Faller, P.; Li, M S Impact of Cu(II) Binding on Structures and Dynamics of Aβ42 Monomer and Dimer: Molecular Dynamics Study ACS Chem Neurosci 2016, 7, 1348−1363 (114) Streltsov, V A.; Varghese, J N.; Masters, C L.; Nuttall, S D Crystal Structure of the Amyloid- p3 Fragment Provides a Model for Oligomer Formation in Alzheimer’s Disease J Neurosci 2011, 31, 1419−1426 (115) Bernstein, S L.; Dupuis, N F.; Lazo, N D.; Wyttenbach, T.; Condron, M M.; Bitan, G.; Teplow, D B.; Shea, J.-E.; Ruotolo, B T.; Robinson, C V.; Bowers, M T Amyloid-β protein oligomerization and the importance of tetramers and dodecamers in the aetiology of Alzheimer’s disease Nat Chem 2009, 1, 326−331 (116) Zheng, X.; Liu, D.; Roychaudhuri, R.; Teplow, D B.; Bowers, M T Amyloid β-Protein Assembly: Differential Effects of the Protective A2T Mutation and Recessive A2V Familial Alzheimer’s Disease Mutation ACS Chem Neurosci 2015, 6, 1732−1740 (117) Urbanc, B.; Betnel, M.; Cruz, L.; Bitan, G.; Teplow, D B Elucidation of Amyloid β-Protein Oligomerization Mechanisms: Discrete Molecular Dynamics Study J Am Chem Soc 2010, 132, 4266−4280 (118) Gu, L.; Liu, C.; Stroud, J C.; Ngo, S.; Jiang, L.; Guo, Z Antiparallel Triple-Strand Architecture for Prefibrillar Aβ42 Oligomers J Biol Chem 2014, 289, 27300 (119) Pan, J.; Han, J.; Borchers, C H.; Konermann, L ConformerSpecific Hydrogen Exchange Analysis of Aβ(1-42) Oligomers by TopDown Electron Capture Dissociation Mass Spectrometry Anal Chem 2011, 83, 5386−5393 (120) Reddy, G.; Straub, J E.; Thirumalai, D Dry Amyloid Fibril Assembly in a Yeast Prion Peptide Is Mediated by Long-Lived Structures Containing Water Wires Proc Natl Acad Sci U.S.A 2010, 107, 21459−21464 (121) Rangachari, V.; Moore, B D.; Reed, D K.; Sonoda, L K.; Bridges, A W.; Conboy, E.; Hartigan, D.; Rosenberry, T L Amyloidβ(1−42) Rapidly Forms Protofibrils and Oligomers by Distinct Pathways in Low Concentrations of Sodium Dodecylsulfate† Biochemistry 2007, 46, 12451−12462 (122) Terzi, E.; Hölzemann, G.; Seelig, J Interaction of Alzheimer βAmyloid Peptide(1−40) with Lipid Membranes† Biochemistry 1997, 36, 14845−14852 (123) Rangachari, V.; Dean, D N.; Rana, P.; Vaidya, A.; Ghosh, P Cause and consequence of Aβ - Lipid interactions in Alzheimer disease pathogenesis Biochim Biophys Acta, Biomembr 2018, 1860, 1652−1662 Q DOI: 10.1021/acs.jpcb.9b04208 J Phys Chem B XXXX, XXX, XXX−XXX Supporting Information for ‘Structure and Physicochemical Properties of Aβ42 Tetramer: Multi-scale Molecular Dynamics Simulations’ Nguyen Hoang Linh1,4, Pawel Krupa2, Nguyen Minh Hai3, Huynh Quang Linh4 and Mai Suan Li2* Institute for Computational Science and Technology, SBI Building, Quang Trung Software City, Tan Chanh Hiep Ward, District 12, Ho Chi Minh City, Vietnam Institute of Physics Polish Academy of Sciences, Al Lotników 32/46, 02-668 Warsaw, Poland Faculty of Physics and Engineering Physics, University of Science - VNU HCM, Ho Chi Minh City, Vietnam Biomedical Engineering Department, Ho Chi Minh City University of Technology-VNU HCM, 268 Ly Thuong Kiet Str., Distr 10, Ho Chi Minh City, Vietnam *Email: masli@ifpan.edu.pl Table S1: Average secondary structure of all chains in all-atom MD simulations AMBER – cluster AMBER – cluster AMBER – cluster AMBER – cluster AMBER – cluster OPLS – cluster OPLS – cluster OPLS – cluster OPLS – cluster OPLS – cluster Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Monomer Beta (%) 12.7 ± 2.9 18.6 ± 4.0 18.7 ± 4.2 17.0 ± 3.9 15.9 ± 3.0 8.8 ± 2.9 20.5 ± 3.5 27.5 ± 4.8 20.6 ± 3.8 21.5 ± 4.1 20.5 ± 4.2 21.8 ± 3.2 21.2 ± 4.6 15.2 ± 3.2 19.5 ± 4.3 21.2 ± 5.1 23.6 ± 4.5 18.6 ± 3.6 15.3 ± 3.7 29.7 ± 4.8 19.8 ± 4.4 28.0 ± 5.5 21.1 ± 5.3 18.7 ± 4.1 21.2 ± 3.6 10.0 ± 2.9 18.9 ± 4.0 33.8 ± 5.2 11.5 ± 2.1 25.6 ± 4.5 21.8 ± 4.5 20.0 ± 3.4 6.8 ± 2.1 14.7 ± 3.5 12.1 ± 2.9 17.0 ± 4.2 16.1 ± 3.1 23.2 ± 5.2 18.6 ± 4.6 23.4 ± 4.7 Helix (%) 8.7 ± 2.1 3.9 ± 1.1 2.0 ± 0.7 4.2 ± 1.3 1.0 ± 0.5 6.8 ± 1.7 0.3 ± 0.1 1.5 ± 0.8 1.0 ± 0.5 1.0 ± 0.4 1.0 ± 0.4 1.1 ± 0.3 0.6 ± 0.3 1.3 ± 0.6 1.7 ± 0.8 0.9 ± 0.4 3.1 ± 0.8 1.2 ± 0.4 3.1 ± 1.0 0.7 ± 0.3 1.2 ± 0.6 1.1 ± 0.6 0.8 ± 0.4 9.5 ± 3.3 0.1 ± 0.0 8.0 ± 2.0 0.0 ± 0.0 0.0 ± 0.0 0.5 ± 0.2 0.8 ± 0.4 0.5 ± 0.2 0.2 ± 0.1 2.0 ± 0.9 0.3 ± 0.2 0.1 ± 0.0 1.9 ± 0.7 0.0 ± 0.0 0.4 ± 0.1 0.2 ± 0.1 0.2 ± 0.1 Turn (%) 30.7 ± 3.8 40.7 ± 4.8 28.5 ± 3.3 43.7 ± 4.4 41.0 ± 4.2 48.9 ± 4.2 40.8 ± 4.3 34.9 ± 4.2 33.7 ± 3.4 40.6 ± 3.9 36.0 ± 4.2 38.2 ± 3.9 33.2 ± 3.8 33.2 ± 4.2 39.3 ± 4.7 41.4 ± 5.3 39.8 ± 4.7 37.9 ± 4.3 51.3 ± 4.7 31.8 ± 4.0 43.5 ± 5.1 40.5 ± 5.4 39.4 ± 4.4 42.7 ± 4.6 37.7 ± 4.1 45.0 ± 3.4 46.8 ± 5.2 27.8 ± 5.0 45.2 ± 3.9 42.1 ± 4.1 41.3 ± 4.5 44.3 ± 3.7 37.1 ± 4.2 45.4 ± 5.0 38.9 ± 4.9 38.4 ± 4.9 44.1 ± 5.1 32.0 ± 4.3 43.7 ± 4.9 44.6 ± 4.6 Coil (%) 47.9 ± 4.9 36.8 ± 4.4 50.8 ± 4.0 35.1 ± 4.2 42.1 ± 3.9 35.5 ± 3.9 38.4 ± 3.8 36.1 ± 4.2 44.7 ± 4.1 36.9 ± 3.2 42.5 ± 4.5 38.9 ± 3.7 45.0 ± 4.0 50.3 ± 3.9 39.5 ± 4.4 36.5 ± 4.5 33.5 ± 4.2 42.3 ± 4.3 30.3 ± 4.1 37.8 ± 3.9 35.5 ± 4.3 30.3 ± 4.9 38.7 ± 4.1 29.1 ± 4.7 41.0 ± 4.0 37.0 ± 3.9 34.3 ± 4.5 38.4 ± 4.5 42.8 ± 3.4 31.5 ± 4.0 36.4 ± 4.3 35.5 ± 4.1 54.1 ± 4.1 39.6 ± 4.2 48.9 ± 4.5 42.7 ± 4.8 39.8 ± 4.5 44.4 ± 4.6 37.5 ± 4.9 31.8 ± 3.4 Figure S1: Initial structures in UNRES REMD simulation obtained by docking monomeric structures to trimers Figure S2: The random walk of replica and 24 in the replica space (temperatures) from coarsegrained REMD simulation Figure S3: Cα RMSD of Aβ42 tetramer at 296K in UNRES REMD simulation The black arrow points to 200ns Figure S4: Temperature dependence of the heat capacity (Cv) computed from UNRES REMD for two time windows [200-1100] and [200-2000] ns Figure S5: Histogram of inter-chain contacts in the coarse-grained REMD simulation Figure S6: Time dependence of Cα-RMSD in all-atom MD trajectories with two force fields Figure S7: (Upper part) Representative structures from all-atom MD simulations starting from the clusters structures, obtained in the UNRES REMD simulation (Lower part) Final structures of allatom MD simulations starting from 2NAO structure with chains Cyan balls represent the Ntermini, and the orange balls represent the C-termini Figure S8: Secondary structures distribution from all-atom MD simulations starting from UNRES clusters structures with AMBER99SB-ILDN force field presented separately for each chain Figure S9: RMSF for chains of tetramer from REMD simulation The result was obtained by using all snapshots from the 200-2000 ns period of UNRES REMD simulation Figure S10: RMSF of the tetramer from all-atom MD simulations starting from UNRES clusters structures with AMBER99-ILDN and OPLS-AA/L force fields presented separately for each chain The initial structures for each simulation were used as the references 10 Figure S11: (Upper part) Contact map (distance of center of mass between two side chains below 6.5Å) within each chain, calculated from all-atom MD simulations in AMBER99SB-ILDN force field starting from UNRES structures (Lower part) Inter-chain contact map for 2NAO from 10-20ns of all-atom MD simulations in AMBER99SB-ILDN force field The results for OPLS-AA/L are similar 11 Figure S12: Transition network, obtained in the coarse-grained REMD simulation The network is built from whole trajectories The label of nodes represents oligomer sizes The size of nodes represents the probability of the state 12 Figure S13: The transition network for the tetramer from all-atoms MD simulations with AMBER99SB-ILDN and OPLS-AA/L force fields Nodes correspond to states and their areas are proportional to the population of states The color of nodes represents shape index, while the location of the nodes is based on the transition probability between states Color of the edges is a combination of the colors of nodes which are connected with each other The color bar represents the color of nodes Figure S14: Schematic plot of dipole moment (red arrow) and inertia principal axes (black arrows) 13 Data files: Atomic coordinates of five representative structures in PDB format 14