PNAS：计算机助力淀粉样蛋白沉积疾病研究

在最近的PNAS杂志上发表的一项研究中，研究人员将计算机和实验方法结合起来，揭示了蛋白的错误折叠如何形成导致2型糖尿病的破坏组织结构——淀粉样纤维，淀粉样蛋白聚集形成的这类纤维，也与神经变性疾病例如老年痴呆症和帕金森氏综合症等疾病有关。

　　

生物通报道：人们对由蛋白质错误折叠和聚集形成淀粉样纤维的机制很感兴趣。淀粉样蛋白被认为能够引起很多人类疾病，但是对其聚集的机制还不了解。在最近的PNAS杂志上发表的一项研究中，美国能源部阿贡国家实验室的计算机资源，帮助科学家们更好地理解，蛋白的错误折叠如何形成导致2型糖尿病的破坏组织的结构。这种结构，称为淀粉样纤维，也与神经变性疾病例如老年痴呆症和帕金森氏症，和朊病毒疾病例如Creutzfeldt-Jacob和疯牛病有关。

结果准确指出了一个在引起淀粉样纤维形成的化学通路中的关键中间步骤。以这个新的“罪魁祸首”为靶标，将来可望开发一种可能的疗法，例如设计一种抑制剂干扰这个有害的通路。

淀粉样纤维是一种由错误折叠蛋白组成的大型结构。这种纤维能够形成斑块或组织损伤部位，这些都能通过显微镜观察到。人们认为，当蛋白偏离其正常3D结构反而适应易于聚集在一起的错误折叠状态时，淀粉样纤维出现。
像拼图一样，蛋白只有在其正确的位置时才有用。因为当蛋白错误折叠很坚固时，它们会形成纤维，科学家们认为，这类疾病的治疗希望主要不在于拆除它们，而在于阻止折叠的错误。

研究人员使用了两种方法来确定这个中间步骤和理解此通路。美国威斯康星大学麦迪逊分校的教授Martin Zanni，采用一种依赖2D红外光谱的尖端技术，跟踪引起纤维形成的化学反应中的一系列事件。他的这项技术能够使用非常小的样本量，测量非常迅速的过程。

然后，芝加哥大学分子工程学院的Juan de Pablo和Chi-Cheng Chiu，利用分子模拟，解读了Zanni的测量数据，获得了引起淀粉样蛋白形成的早期事件的完整画面。De Pablo和Chiu利用Intrepid（一个IBM Blue Gene/P计算机系统）和芝加哥大学计算机研究中心的资源。他们组成、运行和解读了起作用通路的大规模计算机模拟，结果提供了参与反应的分子步骤的一个基本模型。de Pablo说：“只采用其中一种方法，就像只有一条腿参加跑步比赛一样。通过将计算机和实验两种方法结合起来，我们能够更快地得到更可靠的结果。”

一项更早的研究表明，中间的步骤可能就像由蛋白组成的一个松软的环区域，因此，它跟牢固的破坏纤维似乎并不兼容。研究人员认为，纤维可能来自一种称为β-sheet的刚性结构。

然而，新的数据表明，当反应随时间变化时，这两种结构都会发生。短暂的刚性β-sheet形成，然后变成松软的蛋白环，最后表现为更多的β-sheet。最终的β-shee结合在一起，堆积起来形成破坏性的纤维。

目前，研究人员将焦点锁定在新的中间步骤。有了更多的数据，研究人员就能设计一种抑制剂药物，结合到攻击性蛋白上，阻止分子和停止通路的发展。

接下来，de Pablo打算了解更多与2型糖尿病有关的特定蛋白中间体。他已经检测了基本单位和包含两种或最多三种分子的小聚集体。他说：“现在，我们需要了解这些小聚集体是如何破坏细胞膜的。我们还想破译这种纤维是如何从一个小核发展起来的。”

因此，他正在推动利用更多的超级计算影响力来调查更大系统的计划。他最近获得了Argonne's IBM Blue Gene/Q（称为Mira）的计算时间，这是可用于ALCF用户的最新资源。

De Pablo，Zanni和他们的同事们，也将利用这项研究中的方法，确定除2型糖尿病之外的其它疾病的中间步骤，包括神经退行性疾病如老年痴呆症。科学家们把超过20种人类疾病归于淀粉样纤维的形成。在每种疾病中，错误折叠的特定蛋白——在每一种疾病中都是不同的——触发了有问题的中间体β-sheet。

De Pablo说：“我们想了解错误折叠和聚集问题的更广泛的起源。我们可以通过研究与不同疾病相关的许多各种不同的分子，来达到这个目的。最终的目标是要回答几个重要的问题：早期阶段的错误折叠事件和小聚集体形成的是什么？它们是如何形成的？我们如何能设计抑制剂阻止它们的形成？（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Mechanism of IAPP amyloid fibril formation involves an intermediate with a transient β-sheet
Abstract：Amyloid formation is implicated in more than 20 human diseases, yet the mechanism by which fibrils form is not well understood. We use 2D infrared spectroscopy and isotope labeling to monitor the kinetics of fibril formation by human islet amyloid polypeptide (hIAPP or amylin) that is associated with type 2 diabetes. We find that an oligomeric intermediate forms during the lag phase with parallel β-sheet structure in a region that is ultimately a partially disordered loop in the fibril. We confirm the presence of this intermediate, using a set of homologous macrocyclic peptides designed to recognize β-sheets. Mutations and molecular dynamics simulations indicate that the intermediate is on pathway. Disrupting the oligomeric β-sheet to form the partially disordered loop of the fibrils creates a free energy barrier that is the origin of the lag phase during aggregation. These results help rationalize a wide range of previous fragment and mutation studies including mutations in other species that prevent the formation of amyloid plaques.