温度依赖的Aβ42与α-Synuclein单体动力学及Aβ42早期寡聚化：共有残基介导分子内与分子间β-折叠

《ACS Chemical Neuroscience》：Temperature-Dependent Dynamics of Aβ42 and α-Synuclein Monomers and Early Oligomerization of Aβ42: Shared Residues Mediate Intra- and Intermolecular β-Sheets

　　

研究人员采用全原子分子动力学(Molecular Dynamics, MD)模拟，在CHARMM36m力场下考察温度如何调控内在无序蛋白(Intrinsically Disordered Proteins, IDPs)——Aβ42(amyloid-β 42)单体、α-Synuclein(α-突触核蛋白)单体及Aβ42二聚体与四聚体——的疏水相互作用及β-折叠(β-sheet)形成。对于孤立单体，升温使分子内接触增加，促进氢键(Hydrogen Bond, HB)形成及二级结构向β-折叠和转角(turn)基序重组。对Aβ42二聚体和四聚体的分析显示高温下构象异质性增加，表明结合时的构象熵惩罚(conformational entropy penalty)低于预期。因此，单体经历温度诱导的紧缩(compaction)并增强包括分子内β-折叠在内的分子内相互作用；而在二聚体和四聚体中，疏水稳定作用转向聚集，促进交叉β-折叠(cross-β-sheet)形成、肽链延伸及球状构象出现。值得注意的是，单体中稳定分子内β-折叠的残基(约16–22及29–36序列)与聚集体中形成交叉β-折叠基序的残基大量重叠，提示分子内β-折叠形成与聚集倾向性本征相关。这些结果与早前单体及原纤维(protofibril)的NMR测量高度吻合，揭示了分子内与分子间疏水相互作用的竞争关系——最终分子间相互作用比稳定单体溶剂化的分子内相互作用更为有利。

《ACS Chemical Neuroscience》刊载论文解读：温度依赖的Aβ42与α-Synuclein单体动力学及Aβ42早期寡聚化——共有残基介导分子内与分子间β-折叠

一、研究背景与立题依据

淀粉样聚集体特别是可溶性的预纤维寡聚物种被认为与阿尔茨海默病(Alzheimer's Disease, AD)和帕金森病(Parkinson's Disease, PD)等神经退行性疾病病因相关，寡聚假说仍是理解其发病机制的核心框架。从分子角度看，疏水相互作用是蛋白质折叠与聚集的主要热力学驱动力，而骨架酰胺与羰基间形成链间β-折叠氢键则产生淀粉样纤维特征性的交叉β(cross-β)模体。已有实验表明，内在无序蛋白(Intrinsically Disordered Proteins, IDPs)如Aβ42与α-Synuclein(α-syn)随温度升高会发生紧缩(compaction)和有序度降低，暗示疏水效应主导此类构象转变，且温度诱导紧缩可能促使单体向聚集 competent构象转化，成为成核限速步骤。然而，温度升高对IDP单体分子内β-折叠(intramolecular β-sheet)的出现、以及对二聚体及以上寡聚物中分子间交叉β-折叠(intermolecular cross-β-sheet)形成的具体调制作用，尤其是单体紧缩与寡聚体聚集间的关联及竞争关系尚不清楚。分子动力学(Molecular Dynamics, MD)模拟可在分子水平补充实验对上述动态过程的观测。本研究通过全原子MD模拟，探究温度对Aβ42与α-syn单体构象空间及Aβ42寡聚化的影响，以阐明疏水效应、单体分子内β-折叠形成与寡聚体交叉β-折叠形成之间的关系。

二、主要关键技术方法

研究人员采用GROMACS软件包进行全原子MD模拟，体系为0.1 M NaCl水溶液、NpT系综、周期性边界条件立方盒子。蛋白采用CHARMM36m力场，水采用TIPS3P模型。Aβ42单体与二聚体起始构象取自PDB: 1Z0Q，四聚体由PDB: 2MXU原纤维中提取单体构建，α-syn单体起始构象取自PDB: 2n0a；各初始结构均无预存β-折叠以避免偏向。二聚体与四聚体初始设置为中心残基质心间距d_ca> 40 ?或50 ?。模拟温度设为310 K(生理温度)与370 K(加速疏水塌缩与β-折叠形成)，压力0.1 MPa；控温用Nosé–Hoover恒温器，控压用Parrinello–Rahman恒压器，积分步长2 fs，LINCS约束重原子—氢键。能量最小化后依次进行50 ps NVT与50 ns NpT平衡，随后运行生产轨迹(Aβ42与α-syn单体各500 ns，Aβ42二聚体310 K为500 ns、370 K延至1 μs，四聚体310 K与370 K各取形成四聚体轨迹分析)。主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)基于Cα原子位移无质量加权协方差矩阵计算，取前两主成分并结合层次化基于密度的含噪声空间聚类(Hierarchical Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise, HDBSCAN)识别主导构象态。二维自由能面(Free-Energy Surface, FES)沿回转半径(Radius of Gyration, R_g)与溶剂可及表面积(Solvent-Accessible Surface Area, SASA)构建。分子内/分子间氢键(Hydrogen Bond, HB)、残基—残基Cα距离图、二级结构由DSSP程序判定(E_HB< ?0.5 kcal/mol)。

三、研究结果

Aβ42 and α-Syn Monomer（Aβ42与α-Synuclein单体）

对Aβ42单体，370 K时α-螺旋倾向下降，β-折叠含量显著上升，尤其集中于中心疏水核心(残基16–22，KLVFFAE)及C端区域(残基29–36，GAIIGLMV)；PCA与HDBSCAN显示高温下噪声构象比例升高(43.9%→57.1%)，但含β-折叠构象比例自6.2%升至35.1%；FES显示R_g略减小，提示轻微紧缩，Cα距离图显示分子内接触增强，16–22与29–36区段间氢键(N_HBs> 3)帧数增多。对α-syn单体，370 K时无规卷曲减少、β-折叠增加(尤Pre-NAC区即残基36–42与45–57)，含β-折叠构象自47.6%升至83.1%，聚类数自3增至40，噪声自0%升至13%；FES最低自由能盆地R_g减小，NAC端(85–95)与C端(110–120)分子内氢键增强。结论：升温驱动两IDP单体向更紧缩、富含分子内β-折叠并由分子内氢键稳定的构象转变。

Aβ42 Dimerization（Aβ42二聚化）

以两肽间原子接触< 0.5 nm且接触数N_c≥ 20界定二聚结合态。370 K二聚形成更快。结合态下，α-螺旋减少，β-折叠与R_g增加，370 K变化更明显；单体内部仍可见16–22残基处分子内β-折叠与转角增加，但370 K出现16–22区段的分子间(交叉)β-折叠。PCA显示370 K二聚体构象异质性更高(噪声42.6% vs 310 K 18.0%)，延长模拟交叉β-折叠含量上升。16–22与29–36区段的分子内氢键在单体中最强，进入二聚后减弱，被相当水平的分子间氢键替代，表现为分子内与分子间氢键竞争。结论：相同残基(16–22、29–36)既介导单体分子内β-折叠也介导二聚体交叉β-折叠，升温加速聚集相关的结构重组并促进交叉β-折叠形成。

Aβ42 Oligomerization（Aβ42寡聚化/四聚体）

比较单体、二聚体(结合态)与四聚体(结合态)的R_g与SASA：单体R_g随升温略降(紧缩)，二聚体中单链平均R_g略增(肽链延伸)，四聚体整体R_g下降、SASA显著降低，呈球状寡聚构象。370 K四聚体中两个肽链于16–22与29–36区出现交叉β-折叠，310 K仅见较局限区域。结论：聚集体增大后疏水塌缩占优形成球状寡聚体，且参与单体分子内β-折叠的相同残基在四聚体中也参与交叉β-折叠形成。

四、讨论与结论翻译

研究人员的结果复现了实验中Aβ42与α-syn单体在370 K的紧缩现象，同时证实二聚体与四聚体中构象集合更具异质性且单体链发生延伸。此外，高温下Aβ42单体β-折叠含量增加转化为二聚体和四聚体间交叉β-折叠的形成。单体中形成分子内β-折叠的残基与二聚体、四聚体中参与分子间氢键及交叉β模体的残基大量重合，表明分子内β-折叠形成与本征聚集倾向相关联。因此升温时非相互作用单体采取更紧缩结构；但当低于某分子间距离(或高于某浓度)时，源于分子内氢键的β-折叠转变为分子间交叉β-折叠，促进SASA与R_g减小(反映类球状形状——类似球状蛋白折叠)，而单体平均发生延伸。"具更高β-折叠含量的更紧缩单体是否为聚集必要条件"尚不能定论，本研究未提供该结构转变是聚集必要或充分条件的证据。本研究证明，在高温下可良好重现单体与原纤维的数项关键实验特征，增强的疏水效应促进了蛋白质塌缩及加速时间尺度上的聚集。