运动前后温度变化对运动神经元疾病SOD1蛋白片段的动力学影响

摘要

研究目的：rn 运动能够导致人体内温度变化,而温度改变可能会对体内的某些敏感蛋白的聚集产生影响.利用分子动力学模拟的方法,模拟温度改变对运动神经元疾病中SOD1蛋白关键片段构象的影响,以期揭示这种改变的分子机制,探索体育运动是否能够缓解、改善由该蛋白聚集所导致的疾病特征,为运动促进其康复提供理论参考.rn 研究方法：rn 分子动力学是一种计算机模拟方法，该方法主要依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，在生物大分子体系有着广泛的应用，现已可以模拟数十个蛋白组成的复合体的构象运动，成为研究生物大分子作用机理的重要手段之一。生理学研究表明，运动必然会使体温上升，但由于各种运动条件的不同，体温升高的幅度不尽相同，依据之前的研究结果，将模拟的温度设置为37℃与41℃以对比温度变化对于该片段构象的影响。运用常规分子动力学模拟的方法在310K（37℃）与314K（41℃）对SOD1蛋白C末端中147GVIGIAQ153片段（实验表明，147GVIGIAQ153片段自身能够形成针尖状的聚集，而且可以触发全长SOD1蛋白的聚集，是SOD1蛋白的关键片段）的六聚体各进行了200ns的模拟，采用的蛋白质力场为GROMOS9653a6力场，水分子为显式的SPC水溶剂模型。轨迹分析所用的程序主要是GROMACS里面的软件包以及自己开发的一些程序。对不同温度下147GVIGIAQ153片段的六聚体分别进行了结构特征分析，参量分别有：二级结构含量、氨基酸链间侧链和侧链的相互接触几率、对应原子残基的均方根偏差、可溶剂表面积。利用DSSP程序分析蛋白质的二级结构成份含量；分析氨基酸链间侧链和侧链的相互接触几率即蛋白质侧链相互作用的范得瓦尔斯作用力，主要考虑两类原子对：Cα原子对之间要小于0.54nm，其它原子对要小于0.46nm；计算构型的均方根偏差值主要以最初构型作为参考结构计算其他构型相对这个构型的偏差为依据；溶剂可及表面积是指溶剂即水分子所接触到的蛋白质表面，是用来描述蛋白质疏水性的重要手段。rn 研究结果：rn 从二级结构来看，310K温度下，六聚体的Coil含量为41.9%，b-sheet含量为55.8%，而在314K，Coil含量升至48.3%，b-sheet则降至51.1%；对于侧链与侧链相互接触几率而言，310K下六聚体总体氨基酸接触几率比314K低，在314K中A152-A152氨基酸对有着最高的侧链接触几率，而在310K下的I149-I149的接触几率最高；两个温度下六聚体的均方根偏差差别较大，两者（314K与310K）分别为3.45nm与1.05nm；310K下六聚体的疏水可溶剂表面积为16.9nm2，314K为17.0nm2。rn 研究结论：rn 对于147GVIGIAQ153片段而言，314K六聚体的二级结构比310K更紊乱，无序结构增多；侧链间相互作用在310K主要是由I149-I149氨基酸对所稳定，在314K则由A152-A152对稳定，温度升高在一定程度上增强了氨基酸之间的相互作用；相对于初始结构来说，314K下的六聚体在模拟过程中结构变化比310K更多；两个温度的六聚体疏水可溶剂表面积相差很小，表明温度的变化对于六聚体的疏水性没有影响。因此，总的来说，温度升高使SOD1（147-153）六聚体更加无序，结构变化更明显，氨基酸侧链之间的作用更强，能够一定程度上抑制该片段六聚体的聚集，从而对于SOD1聚集引起的致病机制有一定的干预作用。所以适当的体育运动可能会延缓运动神经元疾病的进展，而对于训练强度的制定以及体内温度的把握则是下一步将要探讨的问题。