原子尺度模拟揭示胰岛淀粉样多肽（IAPP）原纤维中淀粉样动力学稳定性与力学稳定性的耦合

《Communications Materials》：Atomistic islet amyloid polypeptide fibril simulations reveal interplay of amyloid kinetic and mechanical stability

　　

人胰岛淀粉样多肽（human islet amyloid polypeptide, IAPP）聚集形成淀粉样原纤维（amyloid fibrils）会触发胰腺β细胞（pancreatic β-cells）退变，是2型糖尿病（type 2 diabetes）的标志。研究人员引入一个分子动力学（molecular dynamics, MD）框架，通过无缝且周期性地重复有限原纤维单元来模拟无限淀粉样原纤维。由该MD模拟得到的原纤维杨氏模量（Young’s modulus）接近实验测量值，表明该模型的力学性质与块体实验样品一致。利用增强采样MD模拟（enhanced-sampling MD simulations）以及考虑非马尔可夫摩擦（non-Markovian friction）的动力学建模，研究人员揭示：在无外力时，10 μm原纤维的热断裂时间（thermal breaking time）约为10³⁴年；在2.6 nN拉伸载荷（tensile loading）下，该时间缩短至约1 ms。结果证明氢键（hydrogen bonding）、淀粉样力学稳定性和动力学稳定性之间存在紧密耦合，从而为研究淀粉样原纤维稳定性开辟新途径，并为旨在促进原纤维解聚（fibril disassembly）的治疗策略的理性设计提供框架。

研究背景：胰腺胰岛淀粉样沉积是2型糖尿病的特征性病理表现。人胰岛淀粉样多肽（human islet amyloid polypeptide, IAPP；37个氨基酸的淀粉样纤维单体）在胰岛β细胞中与胰岛素共储存于分泌颗粒，并随葡萄糖等代谢刺激共释放，参与葡萄糖稳态。IAPP淀粉样原纤维主要累积于细胞外空间，呈富含β-折叠（β-sheet）的结构，类似阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿病等蛋白错误折叠疾病中的聚集体。淀粉样形成遵循成核依赖过程，限速步骤为单体肽成核为寡聚体和小原纤维；一旦形成初始种子且肽浓度足够，原纤维延伸迅速。该聚集过程在2型糖尿病β细胞功能障碍和丢失中起关键作用，但主要毒性物种仍不确定；由2至6个肽组成的寡聚体被认为可能是细胞毒性因子，其机制涉及环状孔形成和插入细胞膜，导致离子失控内流。由此产生的问题是：小肽片段能否从细胞外淀粉样沉积物中脱离并持续供给毒性IAPP寡聚体。尽管已有基于MD和增强采样的原纤维研究，但尚无研究给出IAPP淀粉样原纤维断裂速率的估计。因此，研究人员结合无限周期重复原纤维的全原子MD模拟、伞形采样（umbrella sampling）以及非马尔可夫反应速率理论，量化IAPP原纤维沿纤维轴在外加拉伸力作用下的抗断裂稳定性。

关键技术方法（不超过250字）：研究人员基于已发表的人IAPP冷冻电镜（cryo-EM）结构构建12个IAPP肽、6层堆叠并沿轴向周期重复的无限原纤维体系；开展10 μs无偏全原子MD模拟；设置22个独立伞形采样模拟并以多状态Bennett接受率估计（multistate Bennett acceptance ratio estimator, MBAR）合并自由能；采用距离-角度判据统计层间氢键；由位置自相关函数计算位置依赖的有效摩擦（effective friction）；结合福克-普朗克方程（Fokker-Planck equation）和平均首次通过时间（mean first-passage time, MFP）进行动力学建模，并引入拉伸力项计算断裂时间。

研究结果：
（1）IAPP原纤维的力学性质：通过周期性重复有限原纤维单元并进行10 μs MD模拟，研究人员由模拟盒轴向长度L_z的涨落和自由能拟合得到刚度k≈48.5±1 MJ/(mol nm²)，并由刚性核心横截面积A=16.0±0.12 nm²得到杨氏模量Y=14.6±0.4 GPa。该值与致密且可能取向无序的IAPP原纤维网络的实验值Y=3.4±0.2 GPa处于同一数量级；作者指出，软弯曲形变模式会使块体材料表观刚度低于孤立取向原纤维，而且原子力显微镜测量受实验条件影响可跨一个数量级以上，因此该比较仅为数量级验证。将原纤维核心近似为圆形并计算面积惯性矩I=20.3±0.03 nm⁴后，得到持续长度（persistence length）l_p=69.6±2.1 μm，显著大于基于透射电子显微镜图像统计的实验值2.1–2.9 μm；作者认为差异可能来自将原纤维建模为圆形各向同性杆的近似，也可能来自TEM制样表面沉积过程中大扭矩和力降低表观持续长度。Cryo-TEM图像显示IAPP形态依赖pH，而模拟对应pH≈7。

（2）IAPP原纤维的断裂动力学：研究人员定义一维反应坐标q为相邻原纤维层质心距离，以反映层间氢键网络破坏。通过22个伞形采样模拟和MBAR得到自由能U(q)，其在q=0.48 nm处有明显极小值，对应典型β-折叠距离，并在q=1.24 nm处趋于平台；由q=0.48 nm至q=1.24 nm的自由能差ΔU≈120±5 k_BT≈300±12 kJ/mol，表明破坏相邻两层大多数非共价接触所需自由能接近单个共价键能量。层间氢键数在完整核心中约为每相邻层对16个，至q=0.67 nm时急剧降至约2个。由位置自相关函数得到有效摩擦γ_eff随原纤维伸展显著下降，完整原纤维γ_eff(q=0.48 nm)=6.37·10⁹±8.3·10⁸ u/ps，断裂原纤维γ_eff(q=1.24 nm)=2.44·10⁸±3.7·10⁷ u/ps；按平均16个氢键估计每个氢键的有效摩擦约为3.98·10⁸ u/ps，接近此前估计的无水接触氢键摩擦值，提示有效原纤维摩擦主要源于两层间无水接触氢键的动态断裂与重组。基于福克-普朗克方程和平均首次通过时间，单层沿该轴向分离路径的平均断裂时间τ_layer^MFP(q_s=0.48 nm, q_f=1.24 nm)=3.4·10³⁸±7.3·10³⁷年；以10 μm原纤维、约N_layer=2·10⁴层且层间断裂不相关估算，原纤维平均断裂时间τ_fibril^MFP=1.7·10³⁴±3.6·10³³年。引入拉伸力项后，原纤维平均断裂时间随拉力迅速降低；达到1 s至1 μs的生物学相关时间尺度约需f_pull=(2.3至3.1)±0.1 nN，2.6±0.1 nN时10 μm原纤维可在1 ms内断裂。作者强调该模型仅代表特定轴向层分离路径，未涵盖弯曲、剪切、剥离、配准位移、原纤维丝分离或缺陷处裂纹扩展等其他断裂路径，因此预测断裂时间应视为上限。

讨论部分总结：研究人员建立了将人IAPP作为有效无限原纤维进行模拟的框架。模拟得到的单根IAPP原纤维杨氏模量Y=14.6±0.4 GPa与致密、可能随机取向IAPP原纤维网络的实验值Y=3.4±0.2 GPa合理吻合，说明周期复制淀粉样原纤维在MD模拟中的潜力。增强采样给出分离两层所需能量约120±5 k_BT≈300±12 kJ/mol，达到单个共价键的能量强度。由伞形采样数据提取位置依赖有效摩擦，使Arrhenius方程中的摩擦前因子可直接获得；基于福克-普朗克方程的动力学建模得到单层平均解离时间τ_layer^MFP=3.4·10³⁸±7.3·10³⁷年，代表性10 μm原纤维平均断裂时间τ_fibril^MFP=1.7·10³⁴±3.6·10³³年。这些结果表明，通过轴向分离两层的自发解离在生物学相关时间尺度上可忽略；鉴于存在未考虑的缺陷介导等替代断裂机制，计算断裂时间构成IAPP原纤维寿命上限。研究人员估计在1 s至1 μs尺度断裂IAPP原纤维需(2.3至3.1)±0.1 nN，与细胞长度尺度典型力相当，例如胚胎组织、病原体结合人受体或癌细胞突起力。生物环境中的原纤维多晶型、结构缺陷以及分子伴侣或其他蛋白的主动加工可降低断裂屏障并显著缩短原纤维寿命；近期研究发现IAPP原纤维组成随时间变化，不同多晶型在组装混合物中获得或失去优势，提示多晶型相互转化不可忽略。该工作为研究淀粉样原纤维与生物膜的关键相互作用以及合理设计 destabilizing 或 disassembling 淀粉样原纤维的治疗策略开辟新途径；除IAPP外，该方法可用于预测突变、共溶质和药理制剂如何重塑淀粉样原纤维的力学和动力学稳定性。

研究结论（译）：研究人员建立了一个将人IAPP作为有效无限原纤维进行模拟的框架。单根IAPP原纤维的模拟杨氏模量Y=14.6±0.4 GPa与致密、可能随机取向IAPP原纤维网络的实验值Y=3.4±0.2 GPa合理吻合，突显周期复制淀粉样原纤维用于MD模拟的潜力。通过广泛增强采样模拟，研究人员估计分开两层IAPP原纤维所需能量约为120±5 k_BT≈300±12 kJ/mol，这对由单个氢键构成的接触而言非常显著，并达到单个共价键的能量强度。研究人员从伞形采样数据提取位置依赖有效摩擦，从而直接获得Arrhenius方程中的摩擦前因子。基于福克-普朗克方程的动力学建模，研究人员计算单层平均解离时间为τ_layer^MFP=3.4·10³⁸±7.3·10³⁷年；对代表性10 μm原纤维，这对应平均断裂时间τ_fibril^MFP=1.7·10³⁴±3.6·10³³年。这些结果表明，通过轴向分离两层的自发解离在生物学相关时间尺度上可忽略。鉴于存在未考虑的缺陷介导等替代断裂机制，计算所得断裂时间构成IAPP原纤维寿命上限。研究人员估计在1 s至1 μs时间尺度断裂IAPP原纤维所需力为(2.3至3.1)±0.1 nN，与细胞长度尺度观察到的典型力相当。生物环境中原纤维多晶型、结构缺陷以及分子伴侣或其他蛋白的主动加工可降低断裂屏障，从而显著缩短原纤维寿命。该工作为研究涉及淀粉样物的病理机制开辟新途径，包括淀粉样原纤维与生物膜的关键相互作用，以及合理设计旨在失稳或解聚淀粉样原纤维的治疗策略；除IAPP外，该方法可用于预测突变、共溶质和药理制剂如何重塑淀粉样原纤维的力学和动力学稳定性。