研究目的:阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一种与年龄密切相关,伴随认知、记忆等能力下降为表现特征的神经退行性疾病。时至今日,在全球selleck HPLC范围内有数千万名AD患者。患者脑内致病蛋白β-淀粉样蛋白(β-amyloid,Aβ)和Tau蛋白的聚集是诱发AD病症发生的关键因素,聚集体的产生可导致老年斑和神经纤维缠结的形成,继而引发脑细胞的神经毒性,进一步导致认知和记忆等功能障碍。研究证实抑制蛋白聚集体的产生是预防AD发生的最有效方式之一。作为一种非药物疗法,运动对AD症状的预防和缓解已得到广泛验证,然而运动干预AD的机理尚待深入探讨。运动过程中产生的多种生理性应激因素能够促进脑内热休克因子与热休克反应元件结合,增强小分子量热激蛋白(曾称热休克蛋白)B5(Heat shock protein B5,HSPB5)的表达,脑内HSPB5的上调也与AD模型的症状改善相关。本研究通过分子动力学方法探究HSPB5对AD两种致病蛋白单体和原纤维聚集的抑制,揭示其机理,从而为运动预防和延缓AD的潜在生物学机理提供理论支持。研究方法:本研究主要使用分子动力学模拟探究HSPB5对两种致病蛋白(Aβ和Tau蛋白)聚集过程的微观机理。使用GROMACS软件包构建致病蛋白和HSPB5的体系。研究一中将单独的Aβ单体体系作为对照组,加入HSPB5的Aβ单体体系作为实验组;研究二中将单独的Aβ原纤维体系作为对照组,加入HSPB5的Aβ原纤维体系作为实验组;研究三中将单独的Tau单体体系作为对照组,加入HSPB5的Tau单体体系作为实验组;研究四中将单独的Tau原纤维体系作为对照组,加入HSPB5的Tau原纤维体系作为实验组。所有体系使用Amber99sb-ildn力场处理蛋白参数,模拟环境保持一致,并各进行时长500纳秒(Nanosecond,ns)的独立模拟,模拟结束后使用VMD软件查看轨迹。使用GROMACS软件包对轨迹的后200 ns进行数据处理和分析,同时使用自编脚本和第三方软件Origin2021、SPSS 25.0作为数据分析的补充工具。研究结果:第一部分研究:(1)对照组中Aβ单体的均方根偏差(Root mean square deviation,RMSD)值平衡至1.21纳米(Nanometer,nm),而实验组中的RMSD值降低至1.05 nm(P<0.01);(2)对照组中Aβ单体β-折叠(β-sheet)结构含量增加到5.96%,而实验组中β-sheet结构下降至1.03%(P<0.01),同时,螺旋(Helix)结构显著上升(P<0.01);(3)对照组的回转半径(Radius of gyration,Rg)、链首与链末间的距离(End to end distance,d _(E-E))和溶液可及性表面积(Solvent accessible surface areas,SASA)范围均较小,而实验组的Rg(P<0.05)、d _(E-E)(P<0.05)和SASA(P<0.01)范围明显上升。与对照组相比,实验组中的主链氢键(Hydrogen bond,H-bond)形成的数目下降到11.73个(P<0.05);(4)HSPB5在Aβ单体上的结合位点主要为疏水性氨基酸苯丙氨酸(Phenylalanine,F)4、酪氨酸(Tyrosine,Y)10、Y20、异亮氨酸(Isoleucine,I)32、亮氨酸(Leucine,L)34、缬氨酸(Valine,V)36和极性氨基酸组氨酸(Histidine,H)6、H13、H14、赖氨酸(Lysine,K)16、甘氨酸(Glycine,G)33、G37、G38;(5)HSPB5的β3/4和β8～股(strand)是Aβ单体的主要结合区域。第二部分研究:(1)HSPB5可结合到Aβ原纤维上的多个位点,延伸方向位点的结合次数较多。(2)对照组中Aβ原纤维的RMSD值平衡至0.22 nm,而实验组中的RMSD值则升高至0.44 nm(P<0.01);(3)对照组中Aβ原纤维存在丰富的β-sheet结构,实验组中β-sheet结构被明显破坏(P<0.01);(4)与对照组相比,实验组中的主链H-bond(P<0.01)和侧链H-bond(P<0.05)数目明显下降、Rg(P<0Programmed ribosomal frameshifting.01)和SASA(P<0.01)显著增大;(5)对照组Kink角度和K28-丙氨酸(Alanine,A)42盐桥较为稳定,实验组中的Kink角度(P<0.01)和K28-A42盐桥(P<0.01)被明显破坏。(5)二者的结合过程中存在大量的极性和疏水性氨基酸。第三部分研究:(selleck1)对照组中Tau单体的RMSD值平衡至1.55 nm,而实验组中的RMSD值降低至1.43 nm(P<0.01);(2)对照组中Tau单体β-sheet结构为10.23%,而实验组中β-sheet结构成分下降至6.67%(P<0.01),同时,Helix结构上升至7.33%(P<0.01);(3)对照组的Rg、d _(E-E)和SASA值较小,而实验组的Rg(P<0.05)、d _(E-E)(P<0.05)和SASA(P<0.05)值明显增大。与对照组相比,实验组中的主链H-bond数目下降至15.83个(P<0.05),侧链H-bond数目的形成下降至15.79个(P<0.01);(4)HSPB5在Tau单体上的结合位点主要为极性氨基酸H329、谷氨酸(Glutamic acid,E)338、V339、K340、G355、苏氨酸(Threonine,T)373和H374;(5)HSPB5的β5/7和β8/9-strand是Tau单体的主要结合区域。第四部分研究:(1)与其他低聚体相比,Tau五聚体的RMSD、均方根波动(Root mean square fluctuation,RMSF)和β-sheet的变化较为稳定;(2)对照组β-sheet结构为49.42%,而实验组的β-sheet结构减少至48.01%(P<0.05),卷曲(Coil)结构的含量明显增多(P<0.05);(3)对照组的Rg和d _(E-E)值较小,而实验组的Rg(P<0.05)和d _(E-E)(P<0.01)值显著增加。与对照组相比,实验组中的主链H-bond数目减少到185.80个(P<0.05),侧链H-bond数目的形成减少到86.01个(P<0.05);(4)HSPB5的加入可增大Tau原纤维的谷氨酰胺(Glutamine,Q)351-I371间距离(P<0.05)、缩小β2/3-strand角度(P<0.01)和扩大β6/7-strand角度(P<0.05);(5)极性和氢键相互作用在二者的结合过程中占据着主导地位。研究结论:(1)HSPB5与Aβ单体结合后,可通过增加Aβ单体的结构稳定性,抑制Aβ单体的聚集。HSPB5与Aβ单体的相互作用模式主要为极性相互作用。(2)HSPB5与Aβ原纤维结合后,可通过降低Aβ原纤维的结构稳定性和改变其二级结构含量,破坏Aβ原纤维的结构。二者间的相互作用模式主要为极性相互作用。(3)HSPB5与Tau单体结合后,可通过增加Tau单体的结构稳定性,抑制Tau单体的聚集。HSPB5与Tau单体的相互作用模式主要为极性相互作用。(4)HSPB5与Tau原纤维结合后,可通过降低Tau原纤维的结构稳定性和改变其二级结构含量,破坏Tau原纤维的结构。二者间的相互作用模式主要为极性相互作用。