Luận án tiến sĩ vật lí vai trò của trình tự amino acid kỵ nước và phân cực đối với cơ chế cuốn protein và sự kết tụ của peptide

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI − 2018 VIỆN HÀM LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG 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 toán Mã số chuyên ngành: 44 01 03 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trịnh Xuân Hoàng HÀ NỘI − 2018 Lời cảm ơn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến PGS TS Trịnh Xn Hồng hướng dẫn tơi học tập nghiên cứu suốt thời gian làm nghiên cứu sinh giúp tơi hồn thành luận án Xin cám ơn TS Lê Duy Mạnh, NCS Bùi Phương Thúy nhóm nghiên cứu giúp đỡ có nhiều ý kiến đóng góp q trình làm luận án Tôi xin chân thành cám ơn Học viện Qn Y nơi tơi cơng tác có nhiều hỗ trợ động viên thời gian làm nghiên cứu sinh Xin cảm ơn Viện Vật lý Học viện Khoa học Công nghệ sở đào tạo tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi q trình làm nghiên cứu sinh bảo vệ luận án Tôi cám ơn đồng nghiệp Bộ môn Vật lý - Lý sinh nơi cơng tác có nhiều giúp đỡ, chia sẻ công việc làm nghiên cứu sinh Cuối cùng, xin dành biết ơn sâu sắc tới gia đình ln động viên, ủng hộ hỗ trợ mặt để tơi n tâm nghiên cứu bảo vệ thành công luận án i Lời cam đoan Luận án kết thân thực thời gian làm nghiên cứu sinh viện vật lý Cụ thể, chương phần tổng quan giới thiệu kiến thức sở protein vấn đề protein Chương phần tổng quan giới thiệu tượng kết tụ protein hình thành amyloid Chương mơ tả mơ hình phương pháp mơ Chương trình bày kết nghiên cứu mà thực thầy hướng dẫn PGS TS Trịnh Xn Hồng Chương trình bày kết nghiên cứu mà thực PGS TS Trịnh Xn Hồng TS Lê Duy Mạnh Cuối tơi xin cam đoan khẳng định, nghiên cứu riêng Các kết luận án “Vai trị trình tự amino acid kỵ nước phân cực chế protein kết tụ peptide” kết mới, không trùng lặp với luận án hay cơng trình công bố Tác giả luận án ii Mục lục Lời cảm ơn i Lời cam đoan ii Mục lục iv Danh mục kí hiệu, chữ viết tắt v Danh mục bảng vi Danh mục hình vẽ, đồ thị xiv Mở đầu 1 Sự protein 1.1 Các đặc trưng cấu trúc protein 1.2 Hiện tượng protein 1.3 Nghịch lý Levinthal 1.4 Phễu 1.5 Nguyên lý thất vọng tối thiểu 1.6 Mơ hình hai trạng thái cho chế 1.7 Tính hợp tác q trình 1.8 Tương tác kỵ nước 1.9 Mơ hình HP mạng 1.10Mơ hình Go 1.11Mơ hình ống 1.12Kết luận Sự 2.1 2.2 2.3 8 10 11 12 13 14 16 18 19 21 22 25 hình thành amyloid Cấu trúc sợi amyloid Cơ chế hình thành sợi amyloid Kết luận 27 28 30 35 protein Các mơ hình phương pháp mơ 3.1 Mơ hình ống HP 3.1.1 Tính chất tự tránh dạng ống 3.1.2 Thế bẻ cong 3.1.3 Hệ tọa độ Frenet iii 37 37 38 39 39 Mục lục 40 42 43 43 45 45 46 48 49 51 54 Vai trị trình tự amino acid kỵ nước phân cực chế protein 4.1 Nhiệt động lực học protein mơ hình ống HP 4.2 Nhiệt động lực học protein mơ hình ống Go 4.3 Chuyển pha mơ hình ống HP mơ hình ống Go 4.4 Ảnh hưởng cường độ tương tác kỵ nước lên tính chất 4.5 Kết luận 55 55 61 62 70 74 Vai trò trình tự amino acid kỵ nước phân cực kết tụ peptide 5.1 Sự phụ thuộc cấu trúc kết tụ vào trình tự HP 5.2 Nhiệt động lực học trình kết tụ 5.3 Động học trình hình thành sợi 5.4 Sự kết tụ hệ peptide hỗn hợp 5.5 Thảo luận 5.6 Kết luận 75 76 79 82 87 89 92 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.1.4 Liên kết hydro 3.1.5 Tương tác kỵ nước Mơ hình ống Go Mơ hình ống với tính định hướng chuỗi bên Các thông số cấu trúc protein Phương pháp mô Monte Carlo 3.5.1 Thuật toán Metropolis 3.5.2 Các phép dịch chuyển Monte Carlo cho protein Phương pháp điều nhiệt song song Phương pháp phân tích đa biểu đồ có trọng số Kết luận Kết luận 94 Danh mục cơng trình tác giả 96 Tài liệu tham khảo 97 iv Danh mục kí hiệu, chữ viết tắt a.a Amino acid ADN Deoxyribonucleic acid ARN Ribonucleic acid AFM Hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscopy) AD Bệnh Alzheimer (Alzheimer Disease) HP Kỵ nước phân cực (hydrophobic and polar) MC Monte Carlo NMR Cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance PDB Ngân hàng liệu protein (Protein Data Bank) rmsd Độ dịch chuyển quân phương (root mean square deviation) v Danh mục bảng Bảng 5.1 Trình tự amino acid kỵ nước (H) phân cực (P) peptide xét nghiên cứu kết tụ Các trình tự bảng ký hiệu từ S1 tới S12 Tham số s ký hiệu khoảng cách gần hai amino acid H liên tiếp chuỗi vi 76 Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Hình vẽ minh họa a) cấu trúc hóa học amino acid (trừ proline), b) cấu trúc hóa học proline (Pro) c) chuỗi polypeptide với amino acid liên kết với liên kết peptide Mỗi amino acid gồm nguyên tử carbon trung tâm Cα liên kết với nhóm amine (-NH2 ), nhóm carboxyl (-COOH), nguyên tử H chuỗi bên R Trong amino acid proline, chuỗi bên R liên kết hóa trị với nguyên tử C nhóm carboxyl Các amino acid protein khác chuỗi bên R Hình 1.2 Cấu trúc trạng thái vùng B1 protein G (a–c) protein A (d–f) Các cấu trúc protein biểu diễn dạng gồm tất nguyên tử (all-atom) (a,d), dạng dải (ribbon) (b,e) dạng mạch xương sống (backbone) (c,f).[Pleaseinsertintopreamble] Trong biểu diễn dạng dải, xoắn α tô màu đỏ phiến β tô màu vàng Trong biểu diễn mạch xương sống, amino acid khác phân biệt màu khác Các liệu cấu trúc lấy từ ngân hàng liệu protein (PDB) với mã PDB 1pga cho vùng B1 protein G 2spz cho protein A Hình 1.3 Địa hình lượng dạng sân gơn ứng với trình nghịch lý Levithal Hình 1.4 Phễu Hình 1.5 Sơ đồ lượng tự mơ hình hai trạng thái D N trạng thái duỗi trạng thái Trạng thái chuyển tiếp (TS) trạng thái có lượng tự cao trạng thái duỗi trạng thái ∆FN ∆FD độ cao bờ xuất phát từ trạng thái duỗi Hình 1.6 Nhiệt động lực học protein hai trạng thái (a) Sự phụ thuộc enthalpy trung bình vào nhiệt độ có dạng chữ S (sigmoidal) (b) Sự phụ thuộc nhiệt dung riêng vào nhiệt độ có đỉnh vùng chuyển pha (c) Phân bố enthalpy nhiệt độ T1 < Tf T2 > Tf (d) Phân bố enthalpy nhiệt độ T = Tf Nhiệt độ chuyển pha duỗi Tf xác định nhiệt độ mà nhiệt dung riêng đạt cực đại Độ lớn thay đổi enthalpy nhiệt, ∆Hcal , enthalpy van’t Hoff, ∆HvH , thể cách gần hình vẽ vii 10 12 13 15 17 Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.7 Mơ hình mạng HP khơng gian hai chiều, amino acid kỵ nước phân cực tương ứng có màu xanh màu đỏ Cấu hình gói chặt có lượng thấp chuỗi peptide gồm 14 amino acid (a); hai cấu hình gói chặt khác có lượng cao ứng với cặp tương tác HH (b,c); Histogram số trạng thái phụ thuộc vào lượng có trạng thái có lượng cực tiểu (d) 20 Hình 1.8 (a) Giản đồ pha trạng thái polymer đồng dài 24 hạt mơ hình ống eR eW tham số lượng bẻ cong lượng tương tác kỵ nước mơ hình Pha cận bó chặt bao gồm vùng tơ màu có trạng thái cấu trúc tương tự cấu trúc protein (b) Các cấu trúc trạng thái số cực tiểu lượng pha cận bó chặt (Hình vẽ từ báo [21] đồng ý tác giả cho sử dụng lại) 23 Hình 1.9 Hình ảnh đơn giản hóa hai chiều địa hình lượng (a) Địa hình lượng polymer đồng mơ hình polymer thông thường với hút thúc đẩy bó chặt Có nhiều trạng thái gói chặt tối đa với lượng xấp xỉ nhau, phân cách hàng rào lượng lớn (b) Địa hình lượng tạc hình (presculpted) yếu tố hình học đối xứng mơ hình ống chuỗi polymer đồng pha cận bó chặt Số lượng cực tiểu giảm đáng kể chiều rộng hố tăng lên (c) Địa hình lượng dạng phễu protein lựa chọn trình tự amino acid (Hình vẽ từ báo [53] đồng ý tác giả cho sử dụng lại) 24 Hình 2.1 Hình ảnh mô tả cấu trúc nhiễu xạ thu từ nhiễu xạ tia X sợi amyloid Các cực đại nhiễu xạ thu vị trí ứng với khoảng cách 4.7 ˚ A theo phương thẳng đứng 8–10 ˚ A theo phương ngang Các khoảng cách phù hợp với cấu trúc phiến β chéo mô tả hình bên phải, dải β có phương vng góc với trục sợi Một sợi amyloid gồm nhiều protofibril ghép lại với Hình 2.2 Mơ hình cấu trúc sợi amyloid bệnh Alzheimer tạo peptide Abeta (1-42) có mã PDB 2BEG thu phương pháp NMR [68]: (a) nhìn theo hướng trục sợi, (b) nhìn theo hướng vng góc trục sợi viii 29 29 Tài liệu tham khảo [108] Hellstrand E, Boland B, Walsh DM and Linse S, “Amyloid β-Protein Aggregation Produces Highly Reproducible Kinetic Data and Occurs by a Two-Phase Process”, ACS Chem Neurosci 1, 13–18 (2010) [109] Hanson J and Lowy J, “The structure of F-actin and of actin filaments isolated from muscle”, J Mol Biol 6, 46–60 (1963) [110] Junghans C, Bachmann M, and Janke W, “Microcanonical Analyses of Peptide Aggregation Processes”, Phys Rev Lett 97, 218103 (2006) [111] Oosawa F, Kasai M, “A theory of linear and helical aggregations of macromolecules”, J Mol Biol 4, 10–21 (1962) [112] Xue WF, Homans SW, Radford SE, “Systematic analysis of nucleationdependent polymerization reveals new insights into the mechanism of amyloid self-assembly”, Proc Natl Acad Sci USA 105, 8926–8931 (2008) [113] Hellstrand, Erik and Boland, Barry and Walsh, Dominic M and Linse, Sara, “Amyloid β-protein aggregation produces highly reproducible kinetic data and occurs by a two-phase process”, ACS Chem Neurosci 1, 13–18 (2009) [114] Ruschak AM and Miranker AD, “Fiber-dependent amyloid formation as catalysis of an existing reaction pathway”, Proc Natl Acad Sci USA bf 104, 12341–12346 (2007) [115] Bellesia G and Shea JE, “Self-assembly of β–sheet forming peptides into chiral fibrillar aggregates”, J Chem Phys 126, 245104 (2007) [116] Nguyen HD and Hall CK, “Molecular dynamics simulations of spontaneous fibril formation by random-coil peptides”, Proc Natl Acad Sci USA 101, 16180 (2004) [117] Nguyen HD and Hall CK, “Kinetics of Fibril Formation by Polyalanine Peptides”, J Biol Chem 280, 9074 (2005) [118] Hills RD and Brooks CL, “Hydrophobic Cooperativity as a Mechanism for Amyloid Nucleation”, J Mol Biol 368, 894 (2007) [119] Kashchiev D and Auer S, “Nucleation of amyloid fibrils”, J Chem Phys 132, 215101 (2010) [120] Auer S, “Amyloid Fibril Nucleation: Effect of Amino Acid Hydrophobicity”, J Phys Chem B 118, 5289 (2014) [121] Zhang J and Muthukumar M, "Simulations of nucleation and elongation of amyloid fibrils" , J Chem Phys 130, 035102 (2009) 105 Tài liệu tham khảo [122] Irback A, Jonsson SA, Linnemann N, Linse B, and Wallin S, “Aggregate Geometry in Amyloid Fibril Nucleation”, Phys Rev Lett 110, 058101 (2013) [123] Kamtekar S, Schiffer JM, Xiong HJ, Babik JM and Hecht MH, “Protein design by binary patterning of polar and nonpolar amino acids”, Science 262, 1680–1685 (1993) [124] Wei Y, Kim S, Fela D, Baum J and Hecht MH, “Solution structure of a de novo protein from a designed combinatorial library”, Proc Natl Acad Sci USA 100, 13270–13273 (2003) [125] West MW, Wang W, Patterson J, Mancias JD, Beasley JR, and Hecht MH, “De novo amyloid proteins from designed combinatorial libraries”, Proc Natl Acad Sci USA 96, 11211–16 (1999) [126] Abeln S, Vendruscolo M, Dobson CM and Frenkel D, “A simple lattice model that captures protein folding, aggregation and amyloid formation”, PLOS One 9, e85185 (2014) [127] Nguyen PH, Li MS, Stock G, Straub JE, and Thirumalai D, “Monomer adds to preformed structured oligomers of Aβ-peptides by a two-stage dock–lock mechanism”, Proc Natl Acad Sci USA 104, 111 (2007) [128] Manuela López de la Paz, Giacomo MS de Mori and Luis Serrano and Giorgio Colombo, “Sequence dependence of amyloid fibril formation: insights from molecular dynamics simulations” , J Mol Biol 349, 583–596 (2005) [129] Gsponer J, Haberthă ur U, Caflisch A, The role of side-chain interactions in the early steps of aggregation: Molecular dynamics simulations of an amyloid-forming peptide from the yeast prion Sup35”, Proc Natl Acad Sci USA 100, 5154–5159 (2003) [130] Banavar JR, Cieplak M, Hoang TX and Maritan A, “First-principles design of nanomachines”, Proc Natl Acad Sci USA 106, 6900–6903 (2009) ˇ [131] Skrbi´ c T, Hoang TX, Achille G, “Effective stiffness and formation of secondary structures in a protein-like model”, J Chem Phys bf 145, 084904 (2016) [132] Van der Wel PC, Lewandowski JR, and Griffin RG, “Solid-state NMR study of amyloid nanocrystals and fibrils formed by the peptide GN- 106 Tài liệu tham khảo NQQNY from yeast prion protein Sup35p”, J Am Chem Soc 129, 5117– 5130 (2007) [133] Luiken JA and Bolhuis PG, “Primary Nucleation Kinetics of Short FibrilForming Amyloidogenic Peptides”, J Phys Chem B 119, 12568 (2015) [134] Ricchiuto P, Brukhno AV, and Auer S, “Protein Aggregation: Kinetics versus Thermodynamics”, J Phys Chem B 116, 5384 (2012) [135] Co NT and Li MS, “New method for determining size of critical nucleus of fibril formation of polypeptide chains”, J Chem Phys 137, 095101 (2012) [136] Ridgley DM, Ebanks KC and Barone JR, “Peptide mixtures can selfassemble into large amyloid fibers of varying size and morphology”, Biomacromolecules 12, 3770–3779 (2011) [137] Wasmer C, Lange A, Van Melckebeke H, Siemer AB, Riek R, Meier BH, “Amyloid fibrils of the HET-s (218–289) prion form a β solenoid with a triangular hydrophobic core”, Science 319, 1523–1526 (2008) 107 ... hiểu hệ trộn loại peptide với trình tự HP khác trình kết tụ xảy Các protein peptide nghiên cứu luận án chuỗi ngắn với chiều dài 48 amino acid cho protein amino acid cho peptide Các protein nghiên... Trình tự amino acid protein định cấu trúc chức protein, gọi cấu trúc bậc protein Do chứa liên kết peptide, chuỗi amino acid protein gọi chuỗi polypeptide, đoạn protein ngắn gọi peptide Ở điều kiện... hình vẽ, đồ thị (monomer) amino acid Protein tự nhiên tạo thành từ 20 loại amino acid khác Mỗi phân tử protein xác định chuỗi amino acid với trình tự xác định Hiện tượng protein biết đến lần đầu