（理论物理专业论文）蛋白质折叠及其误折叠病问题的简单模型研究.pdf

2 八0 ，0 - j d e c l a r a t i o no ni n t e l l e c t u 乏1 i n t ec t u a l p r o pe r t yr i g h t s ih e r e b yd e c l a r et h a tt h i st h e s i sr e p r e s e n t sm yo w nr e s e a r c hw o r ku n d e rt h e s u p e r v i s i o no fp r o f y o u - q u a nl ia n dp r o f x i a o - w e it a n go fz h e j i a n gu n i - v e r s i t y , c h i n a a p a r tf r o mt h es o u r c e sq u o t e d ( i n c l u d er e v i e wc h a p t e rw h i c h i sn o td u p l i c a t e df r o mr e f e r e n c e s ) ，t h em a t e r i a lo ft h i st h e s i sh a sn e i t h e rp r e - v i o u s l yi n c l u d e di nap u b l i c a t i o no fa n y o n ee l s e ，n o ri n c l u d e di nat h e s i s ，o ra d i s s e r t a t i o no fa n y o n ee l s es u b m i t t e df o ra d e g r e eo rq u a l i f i c a t i o n 知识产权声明 所呈交的博士学位论文是在导师指导下的研究工作所取得的研究成果。 本人郑重声明：( 1 ) 除了综述第1 ，2 章、以及文中特别标注引文来源的地 方外，论文不包含其他人发表的成果，也不包含他人为获得学位或证书的申 请材料中的内容。( 2 ) 综述部分为本人对有关学术前沿文献深入研习后的 学习总结，没有从他人文献中抄袭的现象。本人完全意识到本声明的法律后 果由本人完全承担。 季永运2 0 0 6 年4 月 n ， 一_ j c o n t e n t s d e c l a r a t i o no ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s a b s t r a c t 中文摘要 1i n t r o d u c t i o n 1 3 5 1 1 w h ys t u d yp r o t e i nf o l d i n 9 7 5 1 2c u r r e n tp r o c e s so fp r o t e i ns t r u c t u r ed e t e r m i n a t i o n 6 1 3t h eo r g a n i z a t i o no ft h i st h e s i s 8 2t h ep r o t e i nf u n d a m e n t a l sa n dr e v i e wo np r o t e i ns t r u c t u r e p r e d i c t i o n 9 2 1t h ef u n d a m e n t a l so fp r o t e i n s 9 2 2f o r c e ss t a b i l i z i n gp r o t e i ns t r u c t u r e1 2 2 3l e v e l so fp r o t e i ns t r u c t u r e 1 6 2 4 p r e d i c t i o no fp r o t e i ns t r u c t u r e 2 0 2 5 s i m p l i f i e dm o d e ls t u d yo fp r o t e i nf o l d i n g 2 5 2 6 m i s f o l d i n gd i s e a s e s 2 8 c o n t e n t s 3m e d i u me f f e c t so nt h es e l e c t i o no fp r o t e i ns e q u e n c e s 3 5 3 1i n t r o d u c t i o na n dm o t i v a t i o n 3 5 3 2 o u rm o d e l s 3 6 3 3t h ed e t a i l so fo u rc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s 3 8 4p r i o n - l i k ef o l d i n gb e h a v i o ri na g g r e g a t e dp r o t e i n s 4 1i n t r o d u c t i o na n dm o t i v a t i o n 4 2 “t o yb r i c k m o d e l 4 3r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 4 7 4 7 4 9 5 2 5t h er o l eo fs e c o n d a r ys t r u c t u r a le l e m e n t si nt h es e l e c t i o n o fp r o t e i ns t r u c t u r e s 6 1 5 1 i n t r o d u c t i o na n dm o t i v a t i o n 6 1 5 2m o d e l s 6 3 5 3 r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 6 4 b i b l i o g r a p h y a p p e n d i x t h er e d u c t i o no fn u m b e ro fs t r u c t u r e sb ys y m m e t r yg r o u p l i s to fp u b l i c a t i o n sa n dm a n u s c r i p t s a c k n o w l e d g e m e n t s 7 1 8 1 8 9 9 1 a b s t r a c t d u et ot h ec o m p l e x i t yo fp r o t e i nf o l d i n gm e c h a n i s m ，s i m p l i f i e dm o d e l sa r e w i d e l yu s e dt os t u d yt h ee s s e n t i a la n dg e n e r a lp r o p e r t i e so fp r o t e i nf o l d i n gu p t od a t e i nt h i st h e s i s ，s t a r t e dw i t hab r i e fo v e r v i e wo ft h ec u r r e n tp r o c e s s o fp r o t e i nf o l d i n gp r o b l e m ( c h a p t e r1 ) ；i nc h a p t e r2 ，a ni n t r o d u c t i o no ft h e f u n d a m e n t a l so fp r o t e i n sa n dm e t h o d sf o rp r o t e i ns t r u c t u r ep r e d i c t i o ni sg i v e n ； t h e nf r o mc h a p t e r3t o5 ，o u rr e s e a r 出w o r k s ，s t u d i e dw i t ht h es i m p l el a t t i c e m o d e l sa n de x h a u s t i v ee n u m e r a t i o n ，a r ep r e s e n t e d i nc h a p t e r3 ，w es t u d yt h em e d i u me f f e c t so nt h es e l e c t i o no fs e q u e n c e s i np r o t e i nf o l d i n g t h em e d i u me f f e c t sa r es t u d i e db yt a k i n ga c c o u n to ft h e s u r f a c ep o t e n t i a li nas i m p l eh p l a t t i c em o d e l 0 u rn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n e x h i b i t st h a tt h es u r f a c ep o t e n t i a le n h a n c e st h ea v e r a g ee n e r g yg a pf o rt h e h i g h l yd e s i g n a b l es t r u c t u r e s w 色o b t a i n e dt h a tt h ee n e r g yg a po ft h es e q u e n c e s w i t hl a r g e re n e r g yg a pw i l lm o s t l yi n c r e a s ew h e nt h es e q u e n c ei sp l a c e di n m e d i u m t h el i n e a ri n c r e m e n to ft h el a r g e s ta v e r a g ee n e r g yg a pc a u s e db y t h em e d i u mh a sac r i t i c a lv a l u ef o rt h ep a r a m e t e ro ft h es u r f a c e p o t e n t i a l ， w h i c hm e a n st h a tam o s ts t a b l es t r u c t u r em a yb en ol o n g e rt h em o s ts t a b l e o n ei ft h em e d i u mp a r a m e t e r sc h a n g e d o u rr e s u l ts h o w st h a tt h es e q u e n c e s a n ds t r u c t u r e ss e l e c t e db yn a t u r eb e c o m em o r es t a b l ei np r o p e rm e d i u ma n d t h en a t u r em a yt a k ed i f f e r e n ts t r u c t u r e sa st h ef a v o r i t es t r u c t u r ei nd i f f e r e n t m e d i u m s i nc h a p t e r4 ，w es t u d yt h ep r i o n - l i k ef o l d i n gb e h a v i o ri na g g r e g a t e dp r o - t e i n s t h ep r i o n - l i k ef o l d i n gb e h a v i o ro fa m u l t i m e r ，c o n s i s t e do f2 7i n d i v i d u a l m o d e lp r o t e i n s ，i ss t u d i e dw i t hs i m p l el a t t i c em o d e l b ye x h a u s t i v ee n u m e r - a t i o n ，w eg e tt h ep r i o n - l i k eb e h a v i o ro fp r o t e i nf o l d i n g i n d i v i d u a lp r o t e i n s a b s t r a c t r e m a i n i n gs t a b l ei nt h ei s o l a t e dn a t i v es t a t em a yc h a n g et h e i rc o n f o r m a t i o n s w h e nt h e ya g g r e g a t e w eo b s e r v et h ec h a n g eo ft h ef o l d i n gp r o p e r t i e sa st h e i n t e r f a c i a li n t e r a c t i o ns t r e n g t hc h a n g e s ，a n df i n dt h a tt h es t r e n g t hm u s tb e s t r o n ge n o u g hb e f o r et h ep r o p a g a t i o no ft h em o s ts t a b l es t r u c t u r e sh a p p e n s o u rr e s u l ti si ns u p p o r to ft h e p r o t e i n - o n l y h y p o t h e s i so fp r i o nd i s e a s e sa n d c o n s i s t e n tw i t hs o m ee x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o n st h a td i f f e r e n te n v i r o n m e n t s l i k e l yi n f l u e n c et h ep r i o n sa b i l i t yt om i s f o l da n da g g r e g a t e i nc h a p t e r5 ，t h ep r o t e i nf o l d i n gp r o p e r t i e su n d e rt h ee f f e c to fs e c o n d a r y s t r u c t u r a le l e m e n t sa l ei n v e s t i g a t e d w 色s t u d yt h ee f f e c to fs e c o n d a r ys t r u c - t u r a le l e m e n t sb yc o n s i d e r i n gm u c hl o w e rp a i rc o n t a c te n e r g yi ns e c o n d a r y s t r u c t u r el i k ee l e m e n t sw i t hh pl a t t i c em o d e l w 色o b s e r v e dt h ee m e r g e n c e o fs o m es t r u c t u r e sw h i c hh a v eb o t hl a r g ea v e r a g ee n e r g yg a pa n dh i g hd e s - i g n a b i l i t y t h ek i n e t i cs t u d yi n d i c a t e st h a tt h e s es t r u c t u r e sa r em o r ek i n e t i - c a n yr e a c h a b l e t h e s es t r u c t u r e sa l s op o s s e s sm u c h m o r es e c o n d a r ys t r u c t u r e 1 i k ee l e m e n t s o u rr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es e c o n d a r ys t r u c t u r em a yp r o m o t e t h es e l e c t i o no faf e ws t r u c t u r e sf a v o r i t eb yp r o t e i n s f i n a l l y , w ea n a l y z et h es y m m e t r i e so ft h em a x i m a l l yc o m p a c t s t r u c t u r e si n c u b i cs h a p et op i c ko u tt h es t r u c t u r e su n r e l a t e db ys y m m e t r i e si na p p e n d i x w eg e tt h e5 1 7 0 4s t r u c t u r e sw h i c ha x eu s e di nt h ec a l c u l a t i o n k e yw o r d s ：p r o t e i nf o l d i n g ，l a t t i c em o d e l ，m i s f o l d i n gd i s e a s e ，p r i o n d i s e a s e ，s e c o n d a r ys t r u c t u r e 2 、 【 中文摘要 由于蛋白质折叠机制的复杂性，直到现在，在蛋白质折叠普遍性质的研究中 简化模型仍被广泛地使用。在这篇论文中，在第一章给出一个当前蛋白质折 叠问题研究进展的简要回顾之后；第二章介绍了蛋白质的一些基础知识和蛋 白质结构预测的主要方法；接着从第三章到第五章，介绍了我们利用简单模 型和穷举模拟的几项研究工作。 在第三章，我们研究了溶液环境对蛋白质折叠的影响。我们在简单 的h p 格点模型中引入溶液对蛋白质表面的吸引势来研究溶液环境的影响。 我们的数值模拟结果显示，那些在没有环境影响时是高可设计的结构，在溶 液环境的影响下将增加它们的平均能隙变得更加稳定。我们还得到了那些具 有大能隙的序列，处于溶液环境中时它们的能隙也将增大。在不同表面吸引 势下，最大平均能隙的线性增加有一个突变点，这意味着在不同的环境条件 下最稳定的结构发生了改变。这些结果表明那些自然选择的结构和序列在适 当的溶液环境下将会更加稳定，同时在不同的溶液环境下自然可能会选择不 同的结构。 在第四章，我们研究了蛋白质集聚时的类疯牛病蛋白折叠行为。我们利 用简单的格点模型来研究由27 个单体蛋白聚集成的多聚体的类疯牛病蛋白 折叠行为。通过穷举计算，我们观察到了这种折叠行为。在单个蛋白质的时 侯，模型蛋白将稳定地处于孤立状态下的基态结构，但是当集聚在一起时它 们可能改变它们的稳定结构，以得到更低的集聚体的能量。我们观察了折叠 行为随界面间相互作用强度改变的变化情况，发现只有在界面间相互作用 强度足够大时最稳定结构的改变才会发生。这些结果支持疯牛病的“唯蛋 白( p r o t e i n - o n l y ) 假说，并与实验上观察到的一些现象相一致：不同的环境 会影响疯牛病蛋白的误折叠和集聚能力。 3 中文摘要 在第五章，我们研究了二级结构对蛋白质折叠属性的影响。利用h p 格点 模型，我们考虑处在类二级结构元中的接触对具有更低的能量来研究二级结 构对折叠的影响。我们观察到在考虑二级结构元的影响时，蛋白质选择了最 紧凑结构中更少的一部份结构，这些结构同时具有大的平均能隙和高可设计 度。动力学研究显示这些结构是动力学更容易达到的。这些结构中也包含更 多的类二级结构元。我们的结果显示二级结构可能促进蛋白质从巨大的构象 空问中选择少数更优的结构。 最后，在附录中我们分析了立方紧凑结构的对称性，挑出那些没有对称 性相联系的结构。我们得到了5 1 7 0 4 个结构，这些结构被使用在我们的模拟 计算中。 关键词：蛋白质折叠，格点模型，误折叠病，疯牛病，二级结构 4 c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 w h ys t u d yp r o t e i nf o l d i n g ? n o w a d a y s t h ec e n t r a ld o g m ao fm o l e c u l a rb i o l o g yh a sb e e ns e tu pf o rh a l fa c e n t u r y , i ts a y st h a tt h ef l o wo fg e n e t i ci n f o r m a t i o nt r a v e l sf r o md n a t or n a a n df i n a l l yt op o l y p e p t i d e s ，a n dt h ep o l y p e p t i d ef o l d si n t oa3 - ds t r u c t u r et o c a r r yo u ti t sb i o l o g i c a lf u n c t i o n ( f i g 1 1 ) w bh a v ew e l lu n d e r s t o o dt h ef r o n t a l s t e p st oac e r t a i ne x t e n t d n ac o n t a i n st h ec o m p l e t eg e n e t i ci n f o r m a t i o nt h a t d e f i n e st h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fa no r g a n i s m ，i tc a r ls e l fr e p l i c a t e ，s t a y i n g p r i s t i n e ，i ta l s oc o d e sf o rm r n a ( m e s s e n g e rr n a ) i nap r i s t i n ew a yi nt h e t r a n s c r i p t i o np r o c e s s t h e nt h ep o l y p e p t i d e sa r es y n t h e s i z e di nap r o c e s s c a l l e dt r a n s l a t i o n ，as e r i e so ft r i p l a t ec o d o n sa r er e s p o n s i b l ef o rc o d i n ga m i n o a c i d si nt h i sp r o c e s s b u ta st ot h el a s ts t e p c a l l e da s ”t h es e c o n dg e n e t i c c o d e ”h o wt h ep r o t e i nf o l d si n t oi t s3 - ds t r u c t u r ef r o mt h e1 da m i n oa c i d s e q u e n c ei ss t i l lo u to fo u ru n d e r s t a n d i n g p r o t e i n sa r et h em o s ti m p o r t a n tm o l e c u l e sf o u n di nl i v i n go r g a n i s m t h e y a r et h eb u i l d i n gb l o c k so fl i v i n go r g a n i s m ，a n dc a r r yo u tm a n yb i o l o g i c a lf u n c - t i o n s ：s u p p o r t i n gt h es k e l e t o n ，c o n t r o l l i n gs e n s e s ，m o v i n gm u s c l e s ，d e f e n d i n g a g a i n s ti n f e c t i o n s ，e ta 1 f o rc a r r y i n go u tp r o t e i n sf u n c t i o n ，ap r o t e i nm u s t a d o p tt h er i g h t3 dc o n f o r m a t i o n s o m e t i m e sap r o t e i nm a yf o l di n t oa ni n - c o r r e c ts h a p ew h i c hp r e v e n t si tf r o mp e r f o r m i n gi t sf u n c t i o na n dm a yc a n s e m a n yd i s e a s e s ，s u c ha sa l z h e i m e r sd i s e a s e sa n dm a dc o wd i s e a s e s t h eu n d e r - s t a n d i n go fp r o t e i ns t r u c t u r ei st h ek e yt ou n d e r s t a n dh o wd i f f e r e n tp r o t e i n s 5 1 2 c u r r e n tp r o c e s so fp r o t e i ns t r u c t u r e d e t e r m i n a t i o n f i g u r e1 1 ：t h ec e n t r a ld o g m ao fm o l e c u l a rb i o l o g y f u n c t i o ni nd i f f e r e n tw a y s ，a n dt h eu n d e r s t a n d i n go fh o wp r o t e i n sw o r kc o u l d l e a dt oal o to fu s e f u la p p l i c a t i o n s ：h e l p i n gt ou n d e r s t a n db i o l o g i c a lf u n c t i o n s ， d r u gd e s i g n ，h e l p i n gt ou n d e r s t a n dt h ed e v e l o p m e n to fm a n yd i s e a s e s ，g e n e t i c e n g i n e e r i n go fr i c h e ra n dm o r er e s i s t a n tc r o p s ，s y n t h e s i so fe n z y m e sf o ri n d u s - t r y , e ta 1 1 2c u r r e n tp r o c e s so fp r o t e i ns t r u c t u r ed e t e r m i n a t i o n p r o t e i ns t r u c t u r ec a nb ed e t e r m i n e db yb o t he x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a l m e t h o d s t h e r ea r em a i n l yt w oe x p e r i m e n t a lm e t h o d sw h i c hc a nb eu s e dt o d e t e r m i n et h e3 - ds t r u c t u r eo fp r o t e i n s ：x - r a yc r y s t a l l o g r a p h y 【1 ，2 ，3 】，n u - c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ( n m r ) s p e c t r o s c o p y 【4 ，5 】w i t hm o r et h a nh a l f ac e n t u r y sh a r dw o r k ，m a n ys t r u c t u r e so fp r o t e i n sa n do t h e rm a c r o m o l e c u l a r h a v eb e e nd e t e c t e da n dt h ei n f o r m a t i o nh a sb e e nd e p o s i t e di nt h ed a t a b a s e o nt h ei n t e r n e t ，s u c ha sr c s bp r o t e i nd a t ab a n k ( p d b ) a n ds w i s s - p r o t ，f o r 6 c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 一 i _ r n r i h i n 4 ，“ 一- l i ! t 7 l 一 l ，i 斜l h 叶翱雌_洲 f i g u r e1 2 ：t h eg r o w t ho fp r o t e i ns t r u c t u r e si np d b ( 1 e f t ) a n dt h eg r o w t ho f s e q u e n c ee n t r i e si nt h es w i s s - p r o t ( r i g h t ) ( f r o m ：p d ba n ds w i s s - p r o tw e b - s i t e ) t h ef r e ea c c e s so fa l lr e s e a r c h e r s n o w a d a y s ，t h e r ea r em o r ea n dm o r eg r o u p s e n g a g i n gi nt h ee x p e r i m e n t a ld e t e r m i n a t i o no fp r o t e i ns t r u c t u r e t h ed a t a g r o w t h so fp r o t e i ns e q u e n c e si ns w i s s - p r o ta n ds t r u c t u r e si np d b a r es h o w n i nf i g 1 2 u pt ot h ee n do f2 0 0 5 ，t h e r ea r ea b o u t3 5 0 0 0s t r u c t u r e ss e a r c h a b l e i nt h ep d ba n d2 6 1 8 3 8 8s e q u e n c ee n t t i e si nt h es w i s s - p r o t b u tt h ee x p e r i m e n t a ld e t e r m i n a t i o no fp r o t e i ns t r u c t u r ei se x p e n s i v e ，i n e f f i c i e n ta n dd i 伍c u l t ， t h e r ea r el a r g ed i s p a r i t i e sb e t w e e nt h en u m b e ro fs e q u e n c e sa n dd e t e r m i n e d s t r u c t u r e so fi n d i v i d u a lp r o t e i n s p r e d i c t i o no fp r o t e i ns t r u c t u r ef r o mt h es e - q u e n c ei sa ni d e a lw a yt ol e s s e nt h e s ed i s p a r i t i e s t h e o r e t i c a lp r e d i c t i o no fp r o t e i ns t r u c t u r ef r o mt h es e q u e n c ei sam o s t c h a l l e n g i n ga n di n q u i s i t i v ep r o b l e mo fm o l e c u l a rb i o l o g y r e s e a r c h e r sh a v e b e e nw o r k i n gf o rd e c a d e st od e v e l o pp r o c e d u r e sf o rp r e d i c t i n gp r o t e i ns t r u c - t u r e a n f i n s e n se x p e r i m e n t sd i s t r i b u t et h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rp r e d i c t i n g p r o t e i ns t r u c t u r ef r o mt h es e q u e n c ef 6 ，7 1 ，t h a ti st h e1 ds e q u e n c ei n c l u d e sa l l n e c e s s a r yi n f o r m a t i o nf o r3 ds t r u c t u r e w i t ht h eh e l po fc o m p u t e r s 。o n ec a n p r e d i c tp r o t e i ns t r u c t u r ew i t hk n o w l e d g e - b a s e dm e t h o d s w h i c hu t i l i z et h ep r o - t e i ns t r u c t u r ei n f o r m a t i o ni nd a t a b a s et om o d e lt h es t r u c t u r eo fn e wp o l y p e p - t i d e 。o n ec a na l s op r e d i c tt h es t r u c t u r ew i t ha bi n i t i om e t h o da tt h ea t o m i c 1 e v e lo fd e t a i lw h i c hb a s e ss o l e l yo np h y s i c a lp r i n c i p l e sa n dk n o w nf a c t sa b o u t t h ew a yp r o t e i n sf o l d 【8 ，9 ，1 0 ，1 1 ，1 2 t h e s em e t h o d ss t i l lc a nn o tr e l i a b l y p r e d i c tt h ep r o t e i ns t r u c t u r e ，t h o u g ht h e s em e t h o d sh a v eg o tm a n ye x c i t i n g r e s u l t sa n da r eg e t t i n gm o r ea n dm o r ee f f i c i e n t 7 蜥 - 啦 h 堆 ， q 1 3 t h eo r g a n i z a t i o no ft h i st h e s i s t h el a c ko ft h ek n o w l e d g eo fp r o t e i nf o l d i n gm e c h a m s m ，t h ea c c u r a t ee n o e r g yf u n c t i o na n dt h ec a p a c i t yo fc u r r e n tc o m p u t e ra r et h el a r g ec h a l l e n g e s e n c o u n t e r e db yt h e s em e t h o d s s om a n yr e s e a r c h e r si n t r o d u c et h es i m p l i f i e d m o d e lf o c u s i n go nt h eb r o a dp h y s i c a lp r i n c i p l e so ft h ef o l d i n gp r o c e s s w i t h s e v e r a ld e c a d e s s t u d y , t h i st y p eo fm o d e lh a se n j o y e dw i d e s p r e a da p p l i c a t i o nm a dh a sc o n t r i b u t e dag r e a td e a lt oo u ru n d e r s t a n d i n go fp r o t e i nf o l d i n g m e c h a n i s m sf 1 3 ，1 4 ，1 5 ，1 6 ，1 7 1 t h ea d v a n t a g eo ft h e s em o d e hi sc o m p u t a - t i o n a te f f i c i e n c y , i tp e r m i t se f f i c i e n ts a m p l i n go fw h o l ec o n f o r m a t i o n a ls p a c e t h i sk i n do fm o d e lh a sb e e nw i d e l yu s e dt ou n d e r s t a n dt h ep h y s i c a lp r i n c i p l e s w h i c hg o v e r nt h ef o l d i n gp r o c e s s e sa n dw i l lc o n t i n u et op l a yi m p o r t a n tr o l e s i nt h ef u r t h e rs t u d yo fp r o t e i nf o l d i n gp r o b l e m 1 3t h eo r g a n i z a t i o no ft h i st h e s i s i nc h a p t e r2 ，a ni n t r o d u c t i o no ft h ef u n d a m e n t a l so fp r o t e i n sa n dm a i nm e t h - o d sf o rp r e d i c t i n gp r o t e i ns t r u c t u r ei sg i v e n f r o mc h a p t e r3t o5 ，ig i v ea n i n t r o d u c t i o no ft h er e s e a r c hw o r k sw h i c hih a v ee n g a g e di nd u r i n gs t u d y i n g f o rt h ed o c