静电扭矩导致淀粉样蛋白-β K16突变体发生不可逆的机械弱化

《Bioelectrochemistry》：Irreversible mechanical weakening of amyloid-β K16 mutants via electrostatic torque

　　

摘要

背景

β-淀粉样蛋白纤维是阿尔茨海默病病理变化的结构核心，其通过密集的β折叠网络保持极高的机械稳定性。然而，外部物理刺激如何破坏这些稳定的结构框架，尤其是不同残基的具体反应机制，目前仍不甚明了。

方法

本研究通过分子动力学模拟，在1.0?V/nm的电场作用下，系统分析了β-淀粉样蛋白纤维及其K16突变体（包括电荷反转型K16D和体积较大的K16W）的结构崩溃与机械性能下降情况。

结果

研究显示，这种外部刺激会在模拟的恢复时间内持续破坏β折叠中的氢键网络，由于偶极子与电场的错位，导致杨氏模量显著降低。值得注意的是，这种反应具有很强的突变依赖性：K16D突变体由于静电扭矩的增加而出现严重的结构崩溃，而K16W则因空间排布更紧密而保持了结构稳定性。此外，电场还会使溶剂可接触表面积持续增加。

结论

这些研究结果表明，外部电场可作为有效的物理调控手段，破坏致病的淀粉样蛋白聚集体，从而突破密集斑块的物理屏障，提升治疗药物的渗透效果与作用效率。

引言

阿尔茨海默病的病理进展与β-淀粉样蛋白纤维的稳定性密切相关，这类纤维通过密集的β折叠堆叠及氢键网络维持结构刚性[1][2]。β-淀粉样蛋白序列中的特定残基在构建和稳定这种有序的β折叠结构中起着关键作用，其中K16被认为是决定β-淀粉样蛋白纤维结构与电学特性的重要残基[3][4]。先前的结构分析与模拟研究表明，K16可通过调节相邻β链之间的电荷分布，来稳定β折叠的排列及氢键网络的有序性[4]。此外，K16还会影响早期寡聚化过程中的排列方向与空间构型，该位置的突变会改变聚集动力学、纤维稳定性、毒性以及细胞反应性[3][4][5]。

实验研究也表明，外部电场能够影响β-淀粉样蛋白的聚集结构[6][7][8]。近期使用纳米结构电极的实验发现，局部强化的电场可以破坏并降解β-淀粉样蛋白斑块及纤维状聚集体，同时改变其基于β折叠的二级结构。这些结果支持了电场会对淀粉样蛋白结构施加直接物理扰动的观点[9][10][11]。

虽然分子动力学模拟能够实现原子级别的电荷重分布追踪，但以往的研究主要侧重于表面结构的调控，而非对内部β折叠结构的破坏。目前，电场对不同残基的具体影响以及结构损伤的不可逆性仍需进一步研究。此外，不同突变体对电场的响应差异、方向依赖性的各向异性，以及结构破坏与机械性能下降之间的关联也尚未得到充分阐明，目前还不清楚电场引起的结构损伤在电场去除后是否可以逆转[12]。

此外，近期的电场分子动力学研究往往将电场对野生型β-淀粉样蛋白42纤维的影响归因于表面结构调控以及纤维的延伸过程，如二次成核等[4]。而我们的研究则认为，β折叠-氢键支架的破坏才是主要的结构变化，这一破坏会引发机械性能的下降。我们进一步比较了电荷反转型突变体（K16D）与体积较大的芳香族突变体（K16W），以分析不同突变及方向带来的差异。同时，我们还通过电场去除后的分子动力学模拟，研究了结构损伤的不可逆性。

β-淀粉样蛋白1–42序列中的中央疏水核心区域（KLVFFAE）在β折叠形成及纤维成核过程中起着关键作用[13]。在该序列中，K16残基凭借其正电荷及空间结构特性，调控着分子间的静电相互作用及β折叠的堆叠方式。在本研究中，我们以K16为研究对象，系统分析残基突变对电场响应的影响。我们选择了电荷反转型突变体K16D和体积较大的芳香族突变体K16W，以此区分静电效应与空间效应的作用。通过这些模型，我们旨在通过比较不同突变带来的方向性响应，并评估电场去除后结构损伤的不可逆性，从而在原子级别阐明电场引起的结构变化[14]。

章节要点

β-淀粉样蛋白纤维模型的构建

本研究中使用的β-淀粉样蛋白纤维模型是基于RCSB蛋白质数据库中的5OQV结构构建的。

野生型模型直接采用了PDB编号为5OQV的结构构建的，而突变体模型则是通过UCSF Chimera 1.18软件的命令行功能生成的[15]。我们使用Chimera的Swapaa命令在K16位置引入了电荷反转型突变（K16D）和体积较大的芳香族突变（K16W）。对于每种突变，我们都选择了能与周围残基产生最小空间冲突的构象。

如

野生型及K16突变体模型的验证与初始平衡

在分析电场作用下β-淀粉样蛋白纤维的结构变化与机械响应之前，我们首先在图1中验证了所有系统（包括野生型、K16D突变体及K16W突变体）的初始结构与机械稳定性。图1A中的VMD快照显示，野生型β-淀粉样蛋白纤维保持了有序的β折叠堆叠结构，形成了稳定的纤维架构。图1B中的RMSD轨迹在大约2纳秒后达到了稳定平台，说明该系统已

结论

本研究通过结合电场分子动力学模拟与引导分子动力学模拟技术，系统分析了1.0?V/nm外部电场对β-淀粉样蛋白纤维结构稳定性及机械性能的影响。研究结果表明，电场会破坏β折叠的紧凑性，打破氢键网络，从而导致无序构象增多，杨氏模量显著下降。这些发现从分子层面揭示了

CRediT作者贡献说明

Hongchul Shin：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、研究实施、资金获取、正式分析、概念构思。Songhee Lim：撰写——初稿撰写、可视化、验证、方法设计、正式分析、数据整理。Junbin Yeom：撰写——初稿撰写、可视化、验证、软件应用、方法设计、正式分析、数据整理。Hae-Chang Jeong：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。Taeyoung Yoon：撰写——

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的支持，相关资金由韩国教育部提供（项目编号为RS-2024-00349057、RS-2025-00555333）。此外，该研究还获得了NRF设立的针对硕士、博士研究生及博士后研究人员的“全球学习与学术研究机构计划”（LAMP）的资金支持，该计划同样由韩国教育部资助，项目编号为RS-2024-00444460。本研究还获得了昌原国立大学“青年教师研究支持基金”的资助。

Hongchul Shin|Songhee Lim|Junbin Yeom|Hae-Chang Jeong|Taeyoung Yoon

韩国昌原市51140，昌原国立大学机械工程系