Vai trò của trình tự amino acid kỵ nước và phân cực đối với cơ chế cuốn của protein và sự kết tụ của peptide tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀM LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ——————— NGUYỄN BÁ HƯNG VAI TRỊ CỦA TRÌNH TỰ AMINO ACID KỴ NƯỚC VÀ PHÂN CỰC ĐỐI VỚI CƠ CHẾ CUỐN PROTEIN VÀ SỰ KẾT TỤ CỦA PEPTIDE Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết vật lý tốn Mã ngành: 44 01 03 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI − 2018 Công trình hồn thành tại: Học viện Khoa học Công nghệ- Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trịnh Xuân Hoàng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp viện Khoa học Công nghệ- Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi giờ, ngày tháng năm 201 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam TỔNG QUAN Trong vấn đề sinh học phân tử, vấn đề protein ln có quan tâm hàng đầu Hầu hết protein thể hoạt tính sinh học chúng nằm trạng thái với cấu trúc chiều bó chặt cho protein, gọi trạng thái tự nhiên (native state) protein Khi protein bị duỗi nhầm, chúng khơng hoạt tính sinh học vốn có mà cịn kết tụ thành cấu trúc dạng sợi khơng hịa tan gọi amyloid, biết liên quan tới nhiều loại bệnh thối hóa với tiến triển nghiêm trọng Alzheimer, Parkinson, tiểu đường tuýp 2, loại bệnh xốp não, bệnh bò điên v.v Do vậy, việc xác định cấu trúc làm rõ chế protein có vai trị to lớn hiểu biết thể sống sức khỏe người Hiện tượng kết tụ protein hình thành amyloid nghiên cứu mạnh năm gần Các nghiên cứu dẫn đến giả thuyết cho amyloid trạng thái chung protein, trạng thái hệ protein hình thành tương tác liên phân tử Như vậy, xu hướng kết tụ hình thành amyloid ln tồn cho protein, xu hướng cạnh tranh với trình protein Tuy vậy, thí nghiệm cho thấy khả kết tụ tốc độ kết tụ phụ thuộc vào điều kiện dung mơi vào trình tự amino acid protein Một số nghiên cứu cho thấy chuỗi protein tồn đoạn trình tự amino acid nhỏ có ảnh hưởng lớn tới khả kết tụ protein Do vậy, việc nghiên cứu để tìm mối liên hệ trình tự amino acid khả kết tụ cần thiết, có ý nghĩa việc tìm hiểu bệnh liên quan tới amyloid tìm phương hướng để chữa trị loại bệnh Mặc dù phương pháp mô với tất nguyên tử (all-atom simulations) sử dụng phổ biến nghiên cứu hệ sinh học phân tử, việc áp dụng phương pháp nghiên cứu protein không khả thi giới hạn tốc độ máy tính Một cách tiếp cận phù hợp vấn đề protein dùng mơ hình lý thuyết đơn giản Có nhiều mơ hình với ý tưởng mức độ đơn giản hóa khác nhau, nhiên đáng kể mơ hình Go mơ hình mạng HP mơ hình ống Các nghiên cứu polymer dạng ống gợi ý tính chất đối xứng dạng ống đặc trưng phân tử protein, giúp hình thành nên cấu trúc bậc hai protein (xoắn α phiến β) Trên sở ý tưởng này, mơ hình ống cho protein phát triển Hồng nhóm nghiên cứu Maritan, đề xuất vào năm 2004 Các kết mơ hình ống cho thấy mơ hình đơn giản mô tả tốt nhiều đặc trưng protein Mơ hình ống mơ hình đồng thời sử dụng cho nghiên cứu trình trình kết tụ Trong luận án này, chúng tơi sử dụng mơ hình ống để nghiên cứu ảnh hưởng trình tự amino acid lên kết tụ protein Tính chất lấp đầy khơng gian polymer dạng ống liên kết hydro mơ hình đóng vai trị tương tác nền, khơng phụ thuộc vào trình tự amino acid Trình tự amino acid chúng tơi xem xét mơ hình đơn giản hóa gồm loại amino acid, kỵ nước (H) phân cực (P) Để nghiên cứu ảnh hưởng trình tự HP lên q trình cuốn, chúng tơi so sánh tính chất mơ hình ống sử dụng tương tác kỵ nước với trình tự HP (mơ hình ống HP) với mơ hình ống sử dụng tương tác cặp giống mơ hình Go (mơ hình ống Go) Việc so sánh giúp làm rõ vai trò tương tác cặp kỵ nước không xuất trạng thái tự nhiên (non-native interactions) Để nghiên cứu vai trị trình tự HP lên kết tụ protein, so sánh khả kết tụ chuỗi peptide với trình tự HP khác nhau, bao gồm việc xem xét tới hình dạng cấu trúc kết tụ tính chất q trình chuyển pha kết tụ Ngồi ra, nghiên cứu kết tụ protein đề xuất mơ hình cải tiến cho tương tác kỵ nước mơ hình ống, có xét tới tính định hướng chuỗi bên amino acid kỵ nước Nghiên cứu chúng tơi cho thấy mơ hình cải tiến cho phép thu cấu trúc kết tụ có trật tự cao có dạng sợi dài giống sợi amyloid Mục đích nghiên cứu: ❼ Làm rõ ảnh hưởng trình tự HP lên tính chất protein ❼ Làm rõ vai trị trình tự HP lên kết tụ protein hình thành sợi amyloid Kết cấu luận án: Nội dung luận án chia làm chương không kể phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo Chương giới thiệu tổng quan vấn đề protein Chương giới thiệu tổng quan tượng kết tụ protein hình thành amyloid Chương đề cập đến mơ hình, phương pháp mô phương pháp xử lý số liệu Chương trình bày kết nghiên cứu vai trị trình tự HP protein Chương trình bày kết nghiên cứu vai trị trình tự HP kết tụ peptide Chương Sự protein 1.1 Các đặc trưng cấu trúc protein Protein đại phân tử tổng hợp tế bào chịu trách nhiệm cho hầu hết hoạt động sinh học tế bào Chúng hợp chất hữu cao phân tử (polymer) tạo thành từ đơn phân (monomer) gồm 20 loại amino acid khác Các amino acid protein khác chuỗi bên (side chain) chúng liên kết với thông qua liên kết peptide tạo thành chuỗi tuyến tính theo trình tự cụ thể Ở điều kiện bình thường thể sống phần lớn protein nằm trạng thái có cấu trúc ba chiều gói chặt cho protein, gọi trạng thái tự nhiên (native state) trạng thái (folded state) protein Hoạt tính sinh học protein thể nằm trạng thái Trình tự amino acid protein định cấu trúc chức protein Protein có dạng cấu trúc Cấu trúc bậc protein chuỗi peptide xác định trình tự tuyến tính amino acid (a.a) Các a.a chuỗi liên kết hóa học với liên kết peptide Cấu trúc bậc hai là xếp định xứ khơng gian acid amin Có hai loại cấu trúc bậc hai xoắn α (α-helix)và dạng phiến β (β-sheet) Cả hai cấu trúc dạng nhằm làm bão hịa liên kết hydro xuất mạch Cấu trúc bậc ba xếp khơng gian tồn chuỗi polypeptide hình thành tương tác chuỗi bên, xoắn α phiến β cuộn lại với thành vùng (domain) có nhiều vịng nếp gấp, tạo thành hình dạng lập thể đặc trưng cho loại protein Một số protein gồm vài chuỗi polypeptide với cấu trúc bậc ba riêng biệt Khi xếp không gian cấu trúc bậc ba protein gọi cấu trúc bậc bốn Cấu trúc protein ổn định tương tác amino acid, bao gồm liên kết hydro, tương tác van der Waals, tương tác kỵ nước 1.2 Hiện tượng protein Quá trình protein trình vật lý chuỗi polypeptide cuộn gấp thành cấu trúc ba chiều đặc trưng, có chức sinh học từ cuộn ngẫu nhiên Cấu trúc chiều protein xác định hồn tồn trình tự amino acid (giả thuyết nhiệt động lực học) 1.3 Nghịch lý Levinthal Bằng cách protein tìm thấy trạng thái gốc thời gian có ý nghĩa mặt sinh học? Nghịch lý Levinthal trình protein khơng thể q trình tìm kiếm ngẫu nhiên 1.4 Phễu Dựa kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm, Onuchic cộng đưa ý tưởng phễu (folding funnel) mơ tả hình 1.1 Q trình protein phễu trình giảm đồng thời lượng entropy Khi protein bắt đầu cuốn, lượng tự giảm xuống số cấu hình giảm xuống (đặc trưng bề rộng giếng giảm) entropy g energy folding N Hình 1.1: Địa hình lượng protein có dạng phễu Hình 1.2: Sơ đồ lượng tự mơ hình hai trạng thái D, N, trạng thái duỗi, trạng thái gốc, ∆FN , ∆FD , ∆F độ cao bờ xuất phát từ trạng thái duỗi và độ chênh lệch lượng tự duỗi 1.5 Nguyên lý thất vọng tối thiểu Nguyên lý thất vấp tối thiểu đưa vào năm 1989 Bryngelson Wolynes dựa lý thuyết spin glass Nguyên lý cho trình tự amino acid protein tự nhiên tối ưu hóa thơng qua q trình chọn lọc tự nhiên cho vấp gây xung đột tương tác trạng thái tự nhiên nhỏ 1.6 Mơ hình hai trạng thái cho chế protein Các quan sát từ thực nghiệm cho thấy hầu hết protein nhỏ hình cầu theo chế hai trạng thái Các protein nhỏ, đơn miền với giả định protein nằm hai trạng thái (N) duỗi (D) Giữa hai trạng thái duỗi tồn hàng rào ngăn cách chúng Độ ổn định trạng thái hay lượng tự (folding free energy) đặc trưng chênh lệch lượng tự hai trạng thái cuốn, duỗi ∆F Tốc độ kf , duỗi ku phụ thuộc vào độ chênh lệch lượng tự tuân theo định luật van’t Hooff-Arrhennius: kf,u = ν0 exp − ∆FN,D kB T (1.1) Với ν0 số, T nhiệt độ kB số Boltzmann Các yếu tố nhiệt độ, áp suất, nồng độ chất làm duỗi ánh hưởng đến ∆F 1.7 Tính hợp tác q trình Tính hợp tác (cooperativity) tượng mô tả hệ bao gồm yếu tố giống gần giống mà hoạt động phụ thuộc lẫn Quá trình trình có tính hợp tác cao Trong protein, tính hợp tác dùng trình hai trạng thái hiểu độ sắc nét q trình chuyển pha cuỗn duỗi Trong thực nghiệm, tính hợp tác xác định thông qua thông số đo tỉ số enthapy van’t Hoff enthalpy nhiệt κ2 = ∆HvH /∆Hcal (1.2) Tính hợp tác cao đồng nghĩa với hệ thỏa mãn tốt tiêu chuẩn hai trạng thái κ2 gần tính hợp tác cao ngược lại 1.8 Tương tác kỵ nước Hiện tượng co cụm tránh tiếp xúc với nước phân tử không bị phân cực (như dầu, mỡ) biết đến từ lâu với tên gọi hiệu ứng kỵ nước (hydrophobic effect) Kết tương tác kỵ nước liên kết phần tử kỵ nước Các a.a phân cực có xu hướng xuất bề mặt protein để tiếp xúc với nước Tương tác kỵ nước cho lực dẫn dắt (driving force) cho protein 1.9 Mô hình HP mạng Trong mơ hình mạng HP acid amin phân chia thành hai loai kỵ nước (H-hydrophobic) phân cực (P-Polar) chuỗi protein định nghĩa bước ngẫu nhiên mạng 2D 3D Sử dụng mơ hình Dill thiết kế trình tự chuỗi mà trạng thái có lượng cực tiểu cấu hình gói chặt Quá trình chuyển pha trình tự thiết kế có tính kết hợp tốt Nghiên cứu co cụm tương tác kị nước động lực dẫn dắt q trình 1.10 Mơ hình Go Mơ hình Go bỏ qua chuyên biệt trình tự amino acid chuỗi protein xây dựng tương tác dựa cấu trúc trạng thái Cơ sở mơ hình Go ngun lý qn tối đa tương tác protein trạng thái Các kết nghiên cứu cho thấy mô hình Go cho chế phù hợp tốt với thực nghiệm, đặc biệt việc xác định đóng góp vị trí amino acid chuỗi polypeptide vào trạng thái chuyển tiếp trình protein Do mơ hình xây dựng dựa cấu trúc trạng thái native, mơ hình Go khơng thể đốn cấu trúc protein từ trình tự amino acid mà dùng để nghiên cứu trình cấu trúc biết 1.11 Mơ hình ống Các nghiên cứu giản đồ pha trạng thái gốc không độ chuỗi homopolymer chiều dài L, bề dày ∆, khoảng tương tác hút R Banavar cho thấy pha thu phụ thuộc vào mối tương quan ∆/R L/R Hoàng cộng cấu trúc thu phụ thuộc vào tương quan tham số lượng phạt eR lượng kị nước eW Những thay đổi tương đối nhỏ tham số eW eR dẫn đến khác biệt đáng kể cấu trúc gốc thu nhấn mạnh vai trò quan trọng tính khơng đồng hóa học việc lựa chọn từ danh sách trạng thái gốc Mơ hình địa hình lượng tạc yếu tố hình học đối xứng protein Sử dụng trình tự gồm 48 đơn phân acid amin tác giả thiết kế protein tới cấu trúc phù hợp cho trước, giống cấu trúc protein tồn tự nhiên Mơ hình giải thích hữu hạn bảo tồn cấu trúc protein, vai trị trình tự amino acid việc lựa chọn cấu trúc cuốn, tiến hóa trung hịa protein Chương Sự hình thành Amyloid 2.1 Cấu trúc sợi amyloid Hình 2.1: Mơ hình cấu trúc sợi Alzheimer’s Abeta(1-42) có mã PDB 2BEG (a) nhìn theo hướng trục sợi (b) nhìn theo hướng vng góc trục sợi Các sợi amyloid có chung cấu trúc phiến β chéo (cross-β sheet structure) vùng lõi với dãy β nằm song song vng góc với trục sợi (hình 2.1) Các tương tác lặp lặp lại nhóm kỵ nước phân cực dọc theo theo trục sợi Đa số sợi amyloid có vùng lõi bao gồm từ hai tới bốn phiến β tương tác gần với 2.2 Cơ chế hình thành sợi amyloid Thơng thường q trình hình thành amyloid gồm ba pha: pha trễ - “lag phase”, pha kéo dài – “elongation” pha bão hòa – “saturation phase” Các nghiên cứu cho thấy cấu trúc thêm vào mẫu protein trình tập hợp làm pha chậm bị thu ngắn lại bị khử hẳn εHH=-0.70 εHH=-0.50 20 εHH=-0.30 εHH=-0.21 εHH=-0.20 εHH=-0.19 (b) Rg (units of A0) 18 (c) 16 14 12 10 (a) (d) 0.2 (e) Hình 4.9: Các cấu trúc có lượng thấp thu từ mô protein 3HB với cường độ tương tác kỵ nước khác Các cấu trúc hiển thị ứng với eHH = −0.2 (a), eHH = −0.21 (b), eHH = −0.3 (c), eHH = −0.5 (d), eHH = −0.7 (e) 0.3 0.4 0.5 T (units of ε/kB) 0.6 0.7 Hình 4.10: Sự phụ thuộc nhiệt dung riêng vào nhiệt độ protein 3HB giá trị cường độ tương tác kỵ nước khác eHH = −0.2 , −0.3 , −0.5 −0.7 Hình 4.11 mơ tả phụ thuộc lượng trung bình E bán kính hồi chuyển trung bình Rg vào nhiệt độ Năng lượng trung binh thay đổi mạnh nhiệt độ chuyển pha Tf Khi |eHH | > 0.2 , thay đổi Rg theo nhiệt độ có dạng đơn điệu Sự thay đổi Rg theo nhiệt độ xảy chậm điểm uốn đồ thị xảy nhiệt độ cao |eHH | tăng Điều chứng tỏ |eHH | tăng chuyển pha sụp đổ xảy nhiệt độ cao Với |eHH | ≤ 0.2 , đồ thị bán kính hồi chuyển phụ thuộc vào nhiệt độ có dạng khơng đơn điệu: nhiệt độ thấp Rg có giá trị lớn ứng với trạng thái xoắn α đơn; nhiệt độ tăng, xoắn đơn trở nên ổn định dao động nhiệt Rg giảm; nhiệt độ tiếp tục tăng, liên kết hydro bị phá vỡ cấu hình protein có dạng duỗi với kích thước tăng, dẫn tới Rg tăng Tính hợp tác vào cường độ tương tác kỵ nước thông qua việc xác định tỷ số enthalpy van’t Hoff enthalpy nhiệt κ2 = ∆H vH /∆Hcal Giá trị κ2 0, 5975 ± 0, 0166; 0, 6181 ± 0, 0116; 0, 7267 ± 0, 0206; 0, 7475 ± 0, 0256 cho HH = 0, 2; 0, 3; 0, 5; 0, Kết cho thấy tương tác kỵ nước mạnh lên tính hợp tác trở nên mạnh biểu qua giá trị κ2 tăng 18 (units of ε) 20 -20 -40 (a) -80 -100 0.2 0.3 22 0.4 0.5 eHH=-0.19 eHH=-0.20 20 (Angstroms) eHH=-0.19 eHH=-0.20 eHH=-0.21 eHH=-0.30 eHH=-0.50 eHH=-0.70 -60 0.6 0.7 eHH=-0.21 eHH=-0.30 0.8 0.9 eHH=-0.50 eHH=-0.70 18 16 (b) 14 12 10 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 T (units of ε/k B) Hình 4.11: Sự phụ thuộc lượng trung bình E (a) bán kính hồi chuyển trung bình Rg (b) vào nhiệt độ protein 3HB giá trị cường độ tương tác kỵ nước khác eHH = −0.19 , −0.2 , −0.21 , −0.3 , −0.5 , −0.7 19 Chương Vai trị trình tự amino acid kỵ nước phân cực kết tụ peptide Chương nghiên cứu kết cụm chuỗi peptide ngắn mơ hình ống HP xem xét đến định hướng chuỗi bên Chúng tơi làm rõ ảnh hưởng trình tự chuỗi đến q trình kết cụm hình thành cấu trúc β giống amyloid Nghiên cứu thực với 12 chuỗi peptide ngắn có độ dài N = a.a với số chuỗi biến đổi từ m = đến m = 20 Các cấu trúc trạng thái gốc hệ m = 10 chuỗi có trình tự khác hình 5.1 cho thấy cấu trúc thu phụ thuộc vào số chuỗi trình tự chuỗi Chúng tơi phân tích kết cụm hệ gồm M peptide xác định với chiều dài chuỗi N = đơn phân có trình tự chuỗi chúng bảng 5.1 5.1 Sự phụ thuộc cấu trúc kết tụ vào trình tự HP Hình 5.1 cấu hình có lượng thấp thu từ mơ Trong hai hệ ứng với trình tự chuỗi có ký hiệu S2 S11 tạo thành cấu trúc dạng phiến β hai lớp tạo thành sợi nằm xếp dọc theo giống cấu trúc β chéo amyloid Cấu trúc tương tự gần cấu trúc sợi tìm thấy chuỗi S12 với vài phần kết cụm không tồn dạng phiến-β Các bó xoắn α quan sát thấy kết cụm hệ S3 S4 Các cuộn xoắn chuỗi S4 có cấu trúc trật tư có dạng tương tự hình Bảng 5.1: Trình tự chuỗi amino acid peptide sử dụng nghiên cứu Thông số s ký hiệu khoảng cách ngắn hai amino acids Sequence name S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 Sequence PPPHHPPP PPHPHPPP PPHPPHPP PHPPPHPP PHPPPPHP HPPPPPHP HPPPPPPH PPHHHPPP PPHPHHPP PHPPHHPP PHPHPHPP PHPPHPHP 20 s 1 2 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 Hình 5.1: Các cấu hình trạng thái gốc hệ 10 chuỗi peptide có trình tự S1-S10 bảng I trụ xoắn α gần song song với Vai trò đơn phân kỵ nước kết cụm từ cấu trúc kết cụm Sự xếp chuỗi bên kỵ nước quan sát thấy tốt chuỗi S2 S11, đơn phân kỵ nước thẳng hàng phiến-β chuỗi bên kỵ nước từ hai phiến-β đối diện Sự xếp có khả liên quan đến kiểu mẫu HP H chuỗi vị trí (sở hữu) chuỗi bên kỵ nước mặt phiến-β Sự hàng đơn phân kỵ nước tìm thấy trường hợp chuỗi S12 chuỗi chứa kiểu mẫu HP H Trong kết cụm α thu từ chuỗi S4 chuỗi bên kỵ nước thu thập dọc theo trục cuộn liên quan đến hàng chuỗi bên kỵ nước dọc theo mặt xoắn α Sự hàng liên quan đến kiểu mẫu HP P P H chuỗi S4 Mặt khác chuỗi S3 với kiểu mẫu HP P H tạo thành kết cụm xoắn α chuỗi bên kỵ nước không định hướng tốt xoắn, điều làm cho cấu trúc kết cụm trở nên trật tự 5.2 Nhiệt động lực học trình kết tụ Chúng tơi nhận thấy nhiệt dung riêng phụ thuộc mạnh vào trình tự chuỗi kích thước hệ Hình 5.2 hình 5.3 phụ thuộc nhiệt độ nhiệt dung riêng phân tử kích thước hệ khác trình tự S2 S4 Đối với trình tự S2, đồ thị cho thấy M tăng đỉnh nhiệt dung riêng dịch chuyển phía nhiệt độ cao đồng thời độ cao tăng lên (Hình 5.2) Kết cho thấy kết cụm trở nên ổn định chuyển pha trở nên hợp tác kích thước hệ tăng Đối với trình tự S4 kết cụm dạng bó xoắn, độ cao đỉnh tăng theo M vị trí đỉnh biến đổi khơng đơn điệu (hình 5.3 ) Chú ý 21 M=1 M=2 C/M (kB) 1000 M=4 M=5 M=1 1000 M=1 M=2 M=3 M=4 M=5 M=6 M=8 M=10 S2 M=6 M=2 M=6 M=1 M=2 M=4 M=6 M=10 S4 100 100 10 M=8 10 T* T* 0.14 M=4 C/M (kB) 10000 M=3 M=10 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24 0.26 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24 0.26 T (ε/kB) T (ε/kB) M=10 Hình 5.2: Sự phụ thuộc nhiệt dung riêng cho hệ S4 Hình 5.3: Tương tự hình 5.2 cho hệ với trình với số chuỗi hệ M 1, 2, 4, 6, 10 Vị tự S4 Để quan sát tốt, số lượng hệ hiển thị trí nhiệt độ sinh lý hình T ∗ so với trình tự S2 chuyển pha kết cụm S4 ln tìm thấy nhiệt độ thấp chút so với nhiệt độ chuyển pha chuỗi đơn Điều hồn tồn khác so sánh với S2, nhiệt độ chuyển pha ln cao nhiệt độ chuỗi đơn Trong hình 5.4 đồ thị giá trị cực đại nhiệt dung riêng phân tử Cpeak /M nhiệt độ tương ứng với cực cực đại Tpeak biễu diễn cho tất trình tự số chuỗi xem xét khác M mơ tả hình.5 Đồ thị cho thấy hiến đổi Cpeak /M Tpeak tăng theo M Chú ý M = 10, đỉnh cao nhiệt dung riêng thuộc trình tự S2 S11 mà dạng kết cụm có dạng sợi (hình 5.1) Cũng với hai trình tự Cpeak /M tăng theo M nhanh trình tự khác Bởi vậy, khả tạo thành kết cụm dạng sợi liên quan đến tính hợp tác chuyển pha kết cụm Sự biến đổi lớn nhiệt độ chuyển pha Tpeak cho nhiều hệ với trình tự chuỗi khác đưa gợi ý khía cạnh thú vị kết hợp Giả sử xem xét hệ thống peptide nhiệt độ độ sinh lí kí hiệu T ∗ Trong mơ hình chúng tơi T ∗ ước lượng cỡ 0, /kB , liên quan đến lượng liên kết hydro cỡ 5kB T với T nhiệt độ phòng Đối với M = 1, chúng tơi tìm thấy tất trình tự trừ S10 có Tpeak < T ∗ đưa gợi ý peptide thực chất không cấu trúc T ∗ có chuỗi đơn Đối với M = M = 10 có ba trình tự S3, S4 S5 có Tpeak < T ∗ trình tự khác có Tpeak > T ∗ Bởi nhiệt độ T ∗ trình tự khơng kết cụm trình tự khác có khả kết cụm Kết cho thấy biến đổi nhiệt độ chuyển pha kết cụm số trình tự ngun nhân giải thích trình tự protein cư xử hướng tới kết cụm khác nhiệt độ sinh lý Một 22 vài trình tự khơng kết cụm nhiệt động lực học kết cụm nhiệt độ sinh lý không phù hợp cho kết cụm Chú ý khả tạo lập kết cụm dạng sợi không thiết liên quan đến nhiệt độ chuyển pha cao Thực tế, hình 5.4b trình tự S2 S11 có giá trị nhiệt độ chuyển pha Tpeak trung bình số tất trình tự hệ M = M = 10 Một vài trình tự có nhiệt độ Tpeak cao S8, S9, S10 tạo lập kết cụm không trật tự (a) Cpeak/M (units of kB) 2500 M=10 M=6 M=1 2000 1500 1000 500 0 (b) 10 11 12 E (units of ε) Tpeak (units of ε/kB) 0.4 0.36 0.32 0.28 0.24 -5 -10 S2, M=4 -15 T=0.2 -20 T* 0.2 -25 0.16 10 11 12 100 200 300 400 500 600 MC steps (x106) sequence # Hình 5.4: Sự phụ thuộc giá trị cực đại nhiệt dung Hình 5.5: Đồ thị biểu diễn lượng hệ phụ thuộc riêng phân tử Cmax (a) nhiệt độ tương ứng vào số bước MC nhiệt độ T=0.2 Cấu hình Tmax (b) vào trình tự chuỗi hệ M = 10, M = trạng thái cân không bền với peptid tạo thành M = Đường nằm ngang (b) tương ứng với phiến bê ta có cấu trúc dạng amyloid tiếp xúc với nhiệt độ sinh lý giả định mơ hình T ∗ xoắn trật tự tạo peptide thứ Đối với hệ S2, hình 5.2 cho thấy với hệ có M ≤ nhiệt độ chuyển pha thấp T ∗ = 0, /kB , điều có nghĩa hệ khơng kết cụm nhiệt độ T ∗ Với M > nhiệt độ chuyển pha cao T ∗ báo hiệu kết cụm dạng sợi tạo thành trình tự ổn định nhiệt độ T ∗ Bởi vậy, số peptide cần thiết phải thỏa mãn điều kiện định để kết cụm xảy nhiệt độ cho Chúng tơi tìm thấy đỉnh thấp trường hợp hệ M = ( hình 5.2) liên quan đến chuyển pha từ trạng thái kết cụm giả cân nhiệt độ trung gian tới trạng thái nhiệt độ thấp Hình 5.5 quỹ đạo lượng mô cân nhiệt độ T = 0, /kB cho trình tự S2 với M = Sự phụ thuộc lượng hệ vào thời gian quỹ đạo cho thấy peptide không kết cụm hầu hết thời gian, lượng tương đối cao thời gian ngắn chúng có thấy tạo lập tự phát kết cụm giải cân có lượng thấp Kết cụm giả cân có ba sợi-β ( hình 5.5,bên dưới) đóng vai trị cấu trúc mẫu cho q trình sợi 23 phát triển hệ hệ nhiều peptide Hình 5.3 phụ thuộc chuyển pha nhiệt động phụ thuộc số chuỗi M hệ có trình tự chuỗi S4 Chú ý tất chuyển pha kết cụm cho M > xảy nhiệt độ thấp so vơi chuyển pha M = 1, minh họa hình 5.4 Nhiệt độ chuyển pha kết cụm Tmax tăng số chuỗi hệ M tăng, nhiên, chúng không tiến đến nhiệt độ sinh lý T ∗ hình 5.3 Khơng có chuyển từ cấu trúc xoắn thành cấu trúc phiến-β cấu trúc kết cụm tăng giá trị M đưa gợi ý chuỗi có trình tự S4 có khả thấp để tạo thành cấu trúc amyloid 5.3 Động học trình hình thành sợi Chúng xem xét hệ M = 10 peptide với nồng độ c = 1mM điều kiện cân Hình 5.6 phụ thuộc lượng tồn phần hệ vào kích thước kết cụm lớn m ba nhiệt độ thấp chút nhiệt độ chuyển pha Tpeak Đồ thị cho thấy tất trường hợp nhiệt độ khác lượng tự có cực tại m = 3, gợi ý m = kích thước tới hạn tạo thành sợi Hàng rào lượng tự kết cụm tăng theo T cỡ từ 1kT tới 4kT Rào không lớn thống với thật trình tự xem xét có khả kết cụm cao Đối với m > 3, hình 5.6 lượng tự giảm gần tuyến tính với n, điều đồng nghĩa với thật phát triển kích thước kết cụm thật theo chiều Tiếp theo, xem xét hệ lớn M = 20 peptide nghiên cứu tiến hóa theo thời gian hệ từ cấu hình ngẫu nhiên phân tán monomer Hơn 100 quỹ đạo độc lập mô để xác định thống kê Đầu tiên nghiên cứu hệ nồng độ c = 1mM nhiệt độ T = 0, /kB Hình 5.7(a b) mơ tả ba quỹ đạo lượng tồn phần điển hình hệ kích thước kết cụm lớn m hàm thời gian Những quỹ đạo cách rõ ràng chứng pha trễ thời điểm ban đầu, suốt thời gian ban đầu m thăng giáng có giá trị nhỏ ( m < 3) sau đến giai đoạn tăng trưởng nhanh gần tuyến tính ( Hình 5.7.b) Chúng cho thấy tạo nhân hoàn toàn xảy m = Hình 5.7.d mơ tả cấu hình peptide thời điểm tạo nhân, hình cho thấy nhân có khả tạo thành dãy ba phiến-β tạo ba peptide (hình 5.7.e) Hình 5.7c thể rõ hệ tạo lập nhiều kết cụm với kích thước khác Phân bố kích thước kết cụm thu sau thời gian dài có hai vùng phản ánh thực kích thước hệ hữu hạn cụm nhỏ peptide không ổn định Tiếp theo, quan sát thấy kết cụm với kích thước gần kích thước hệ nhiều 24 S2, M=10 F (units of ε) -1 -2 m* -3 -4 -5 T=0.20 T=0.21 T=0.22 -6 -7 10 m Hình 5.6: Sự phụ thuộc lượng tự F vào kích thước kết cụm lớn m hệ S2 với số chuỗi peptide M = 10 ba nhiệt độ khác nhau, T = 0.2, 0.21 0.22 /kB Trên hình rào có cực đại vị trí m = kết cụm nhỏ Hình 5.7.f kết cụm lớn ứng với m = 20 peptide có cấu trúc tạo thành phiến-β kép dài dài tương tự với cấu trúc β chéo Hình.5.8 a b phụ thuộc số peptide trung bình nβ phiến β vào thời gian T = 0, /kB làm khớp với hàm hồi phục có dạng M (1 − e−t/t0 ), t0 thời gian phân loại kết cụm Thời gian phụ thuộc mạnh vào nồng độ c, c thay đổi từ 1mM đến 0, 5mM thay đổi lớn lần Trong đồ thị dường không tồn chứng pha trễ (lag phase) T = 0, /kB nβ tăng tuyến tính theo t thời gian t nhỏ ( hình.5.8b) Sự thiếu vắng chứng liên quan đến độ lệch từ phát triển hàm mũ nhỏ để quan sát Thật thấy tăng nhiệt độ lượng nhỏ lên T = 0, 21 /kB quan sát pha trễ Hình.5.8c phát triển nβ theo thời gian có lệch khỏi hàm hồi phục dạng mũ thời gian nhỏ Sự phát triển vẽ thang log-log thời gian nhỏ nβ ∝ tα với α ≈ 1, 25 hàm mũ α > có nghĩa phụ thuộc nβ có dạng đường com lõm Đó dấu hiệu chứng tỏ tồn pha trễ thời gian nhỏ Chứng ủng hộ mạnh mẽ cho tồn pha trễ T = 0, 21 /kB so sánh với T = 0, /kB phù hợp với độ cao rào tạo nhân nhiệt độ nhiệt độ tạo lập trước hình.5.6 25 (b) (c) 20 T=0.2 T=0.2 mM mM m 15 10 nucleation 500 1000 1500 0 500 1000 10 number of aggregates 20 -20 -40 -60 -80 -100 -120 -140 -160 E (units of ε) (a) 1500 t (×10 MC steps) (d) t=1.5×10 6 t (×10 MC steps) T=0.2 mM 10 15 20 aggregate size (f) (e) Hình 5.7: Động học trình kết cụm hệ có trình tự S2 với kích thước hệ M = 20 peptide nồng độ mM nhiệt độ T = 0.2 /kB (a) Sự phụ thuộc lượng E vào thời gian t đo theo số bước MC (b) Sự phụ thuộc kích thước kết cụm lớn m ba quỹ đạo phần (a) Các mũi tên quỹ đạo thời điểm tạo nhân (c) Histogram kích thước kết cụm thu từ số peptide thu sau thời gian mô dài t = 1.5 × 109 bước MC (d) Hình ảnh chụp lại cấu hình peptide thời điểm tạo nhân (e) Cấu hình cụm tạo nhân tạo thành ba peptide thu từ cấu hình hình (d) (f) Cấu hình cấu trúc sợi có dạng duỗi dài thu từ 20 peptide 5.4 Sự kết tụ hệ peptide hỗn hợp Cuối cùng, nghiên cứu kết cụm hỗn hợp đồng thời chuỗi S2 S4 Khi đứng độc lập, mơ chuỗi S2 có khả cao việc hình thành cấu trúc sợi cịn chuỗi S4 khơng có khả kết cụm để hình thành cấu trúc phiến-β Hơn trình tự S4 có nhiệt độ chuyển pha kết cụm nhỏ T ∗ , kết cụm không ổn định nhiệt độ T ∗ Bằng cách sử dụng hệ gồm 10 chuỗi có trình tự S2 10 chuỗi có trình tự S4 chúng tơi thực mơ để tìm hiểu tạo thành amyloid Đáng ý, mô cho thấy pha trộn cân 10 chuỗi trình tự, sau thời gian, chuỗi S4 kết cụm chuyển thành cấu hình phiến-β quan sát thấy nghiên cứu kết cụm chuỗi S2 (hình 5.9) Mặc dù phần trăm sợi S4 chuyển thành kết cụm amyloid cỡ 10% trung bình, quan sát điển hình chế kết cụm sở mẫu (template-based aggregation) chứng mô hỗ trợ mạnh cho giả thiết prion Nó cho thấy sợi amyloid tạo thành từ nhiều trình tự chuỗi protein khác hình thành loại giống sợi đóng vai trị hoạt động cấu trúc mẫu để chuỗi khơng ưa duỗi dài kết cụm thành sợi Chú ý liên quan đến 26 không phù hợp phần kị nước hai trình tự, dạng kết cụm tạo thành hai trình tự bất ổn định so với hệ đồng có trình tự (hình 5.9.b) Đồ thị 5.9.c phát triển kết cụm hỗn hợp nhiệt độ cho giữ nguyên dạng mũ thời gian phân loại cho kết cụm lớn so sánh với hệ đồnh có trình tự S2 (a) (b) 20 T=0.2 T=0.2 10 mM 10 mM 15 0.5 mM 0.5 mM 0.25 mM 0.25 mM 0 500 1000 1500 100 (c) t (×10 MC steps) (d) 20 T=0.21 (c) T=0.21 15 12 10 mM 10 10 total 1000 t (×10 MC steps) mM (a) (b) 0.5 mM 0.5 mM 0 1000 2000 3000 t (×10 MC steps) 100 1000 sequence S4 t (×10 MC steps) 0 Hình 5.8: Số peptide trung bình nβ cấu hình phiến β phụ thuộc vào thời gian kết cụm hệ M = 20 có trình tự chuỗi S2 nhiệt độ T = 0.2 /kB (a,b) 0.21 /kB (c,d) nồng độ khác c = mM, 0.5 mM 0.25 mM Hình bên phải (b d) giống (a c) thang log-log Các điểm liệu làm khớp với hàm hồi phục M (1 − e−t/t0 ) c = mM (solid) với t0 = 570 × 106 cho c = mM in (a) t0 = 1850 × 106 cho c = 0.5 mM (a), t0 = 109 for c = mM (c) Hình vẽ thang log-log phát triển nβ thời gian ngắn ban đầu theo quy luật dạng mũ, nβ ∝ tα , với α = (b) α = 1.25 (d) cho hai nồng độ mM 0.5 mM 5.5 500 1000 1500 2000 t (x106 MC steps) Hình 5.9: (a) Cấu hình thu mơ hệ hỗn hợp 10 chuỗi có trình tự S2 10 chuỗi có trình tự S4 nồng độ c = mM nhiệt độ T = 0.2 /kB (b)Hình ảnh phóng to kết cụm hình a Chú ý sáu chuỗi S4 có mặt kết cụm số chúng tồn cấu hình phiếnβ (c) Số peptide trung bình cấu hình phiến β, nβ phụ thuộc vào thời gian hai trình tự (hình vng) trình tự S4 (hình trịn) Dữ liệu làm khớp với hàm có t0 = 832 × 106 (đường liền nét) trường hợp hai trình tự Thảo luận Những nghiên cứu trước mơ hình ống kiểu mẫu (pattern) HPPH HPPPH xác định có xu hướng tạo thành cấu trúc dạng α kiểu mẫu HPH có xu hướng tạo thành cấu trúc dạng βTrong nghiên cứu này, thấy quy tắc lựa chon đơn giản cho peptide kết cụm, mơ hình thay đổi cách xem xét định hướng chuỗi bên Các nghiên cứu cho thấy mơ hình hỗn hợp hai trình tự xác định tính trật tự kết cụm Đặc biệt, cần có tương 27 thích liên kết chuỗi bên kị nước đối xứng chung kết cụm Điều thú vị kiểu mẫu HPH dường vừa mạnh cho tạo thành β trình tự dễ kết cụm Phát phù hợp với thí nghiệm thiết kế amyloid trước đó, cho thấy phân đoạn liên tiếp kị nước – phân cực (chẳng hạn PHPHPHP) hướng trình tự protein để hình thành sợi dạng giống amyloid Điều báo cáo nghiên cứu gần hình thành sợi cách sử dụng mơ hình mạng Thú vị, protein tự nhiên người ta thấy thiên nhiên khơng ưa kiểu mẫu Vai trị quan trọng chuỗi bên hình thành amyloid nhấn mạnh mô tất nguyên tử Trong mơ hình ống mà khơng xem xét định hướng chuỗi bên, thu kết cụm dạng amyloid Tuy nhiên, kết cụm bị trật tự việc xếp phiến β Ở đây, cho thấy với tương tác định hướng chuỗi bên phiến β trực tiếp dẫn tới cấu trúc có trật tự cao Điều cho chuỗi với kiểu mẫu (pattern) tuân tự phân cực kị nước xen kẽ có chuỗi bên kị nước định hướng bên phiến β Định hướng chuỗi bên xem xét mơ hình mạng dẫn tới kết tương tự nghiên cứu Lưu ý tính khác chuỗi bên, chẳng hạn kích thước, hình dạng đặc trưng khác, đóng vai trị mức tăng chi tiết Ví dụ, thể tích loại trừ chuỗi bên tăng cường hình thành xoắn phẳng, áp dụng tốt cho trường hợp amyloid Thế tiếp xúc kị nước với định hướng chuỗi bên đưa nghiên cứu coi xấp xỉ bậc cho tính tốn bất đẳng hướng tương tác gây chuỗi bên Kết nhiệt động học cho thấy việc hình thành kết cụm dạng sợi hợp tác chiều cao đỉnh nhiệt dung riêng Tính hợp tác cao hiểu cấu trúc sợi amyloid có tính trật tự cao đóng góp chiếm ưu tương tác liên phân tử cấu trúc bao gồm liên kết hydro tương tác kị nước Chúng thấy ổn định nhiệt động lực học đặc điểm bật kết cụm dạng sợi Đặc biệt, trình tự có nhiệt độ chuyển pha cao không thiết tạo thành kệt cụm dạng sợi Nghiên cứu cho thấy kiểu mẫu HP yếu tố định loại kết cụm amyloid ổn định nhiệt động lực học nó, khơng phải tất tính kị nước trình tự Kết chúng tơi động học hình thành sợi cho thấy phù hợp với hiểu biết chế hình thành amyloid trình tạo mầm phát triển dựa cấu trúc mẫu, chúng bị giới hạn kích cỡ hệ thống Điều thú vị cần lưu ý hành xử động học không cân 28 hệ thống lớn tìm thấy phù hợp với tính chất cân hệ thống nhỏ hơn, với nồng độ peptide không đổi Kích thước nhỏ hạt nhân ban đầu tìm thấy nghiên cứu phù hợp với nghiên cứu mô coarse-grained khác nghiên cứu mô tất nguyên tử Nghiên cứu kích thước nhân phụ thuộc vào lựa chọn nhiệt độ sinh lý, hay nói cách khác cường độ tương tác hệ 29 Kết luận Các nghiên cứu luận án giúp đưa kết luận sau vai trò trình tự amino acid kỵ nước phân cực (trình tự HP) trình protein kết tụ peptide: Trình tự HP có ảnh hưởng mạnh tới chế protein Quá trình protein với trình tự HP xác định đặc trưng hai trình chuyển pha tách biệt: chuyển pha sụp đổ (collapse transition) từ trạng thái duỗi trạng thái co cụm trật tự xảy nhiệt độ cao hơn, chuyển pha (folding transition) từ trạng thái co cụm trật tự trạng thái xảy nhiệt độ thấp Trạng thái co cụm trật tự ổn định chủ yếu tương tác kỵ nước Cường độ tương tác kỵ nước có ảnh hưởng lớn tới nhiệt độ chuyển pha sụp đổ nhiệt độ chuyển pha protein, giới hạn rộng cường độ tương tác không làm thay đổi cấu trúc trạng thái protein Tính hợp tác tính ổn định nhiệt động học protein mơ hình ống HP thấp đáng kể so với mơ hình ống Go Điều cho thấy địa hình lượng tạo hình yếu tố hình học đối xứng protein, xung đột tương tác (dẫn tới thất vọng – frustration) tồn đáng kể trình tự amino acid cụ thể Sự xung đột tương tác triệt tiêu gần hồn tồn mơ hình ống Go, mơ hình lý tưởng cho q trình bỏ qua trình tự amino acid Hình dạng cấu trúc kết tụ chuỗi peptide ngắn tính chất nhiệt động lực học chuyển pha kết tụ phụ thuộc mạnh vào trình tự HP Trong trình tự HP, tồn kiểu mẫu (pattern) có khả kết tụ cao cấu trúc giàu phiến β xoắn α Ngồi trình tự HP, định hướng chuỗi bên kỵ nước có ảnh hưởng lớn đến tính trật tự tính đối xứng cấu trúc kết tụ Mô chúng tơi cho thấy peptide chứa đoạn trình tự với kiểu mẫu HPH (hai amino acid kỵ nước H cách amino acid phân cực P) kết tụ thành cấu trúc phiến β hai lớp giống cấu trúc phiến β chéo sợi amyloid Trong trình chuyển pha kết tụ trình tự HP khác nhau, chuyển pha kết tụ cấu trúc dạng sợi amyloid có tính hợp tác cao thể đỉnh nhiệt dung riêng cao Sự hình thành sợi amyloid tuân theo chế tạo nhân mọc với tồn pha trễ (lag phase) Cấu trúc mẫu (template) có vai trị quan trọng việc hình thành sợi 30 Trong hệ peptide hỗn hợp, kết tụ cấu trúc dạng sợi peptide có khả hình thành sợi cao làm cho peptide có khả hình thành sợi thấp kết tụ theo Điều gợi ý sợi amyloid tự nhiên có không đồng thành phần peptide protein 31 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ [1] Nguyen Ba Hung, Trinh Xuan Hoang, “Folding of proteins in presculpted free energy landscape”, Conmunications in Physics 23, 313–320 (2013) [2] Nguyen Ba Hung, Trinh Xuan Hoang, “Aggregation of peptides in the tube model with correlated sidechain orientations”, Journal of Physics: Conference Series 627, 012028 (2015) [3] Nguyen Ba Hung, Duy Manh Le, Trinh X Hoang, “Sequence dependent aggregation of peptides and fibril formation”, Journal of Chemical Physics 147, 105102 (2017) 32 ... Chương trình bày kết nghiên cứu vai trị trình tự HP protein Chương trình bày kết nghiên cứu vai trị trình tự HP kết tụ peptide Chương Sự protein 1.1 Các đặc trưng cấu trúc protein Protein đại phân. .. khả kết tụ tốc độ kết tụ phụ thuộc vào điều kiện dung mơi vào trình tự amino acid protein Một số nghiên cứu cho thấy chuỗi protein tồn đoạn trình tự amino acid nhỏ có ảnh hưởng lớn tới khả kết tụ. .. lớn đến tính trật tự tính đối xứng cấu trúc kết tụ Mô chúng tơi cho thấy peptide chứa đoạn trình tự với kiểu mẫu HPH (hai amino acid kỵ nước H cách amino acid phân cực P) kết tụ thành cấu trúc