[论文解读] A Review on the Salt Bridge Between ASP177 and ARG163 of Wild-Type Rabbit Prion Protein

Jiapu Zhang, Feng Wang|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2014

Prion Diseases and Protein Misfolding参考文献 70被引用 7

一句话总结

本研究调查了在野生型兔朊蛋白（RaPrPC）中，ASP177与ARG163之间盐桥的pH依赖性稳定性，表明该相互作用在pH 6.5时的X射线结构中存在，但在pH 4.5时的NMR结构中缺失，原因在于静电环境的变化。分子动力学模拟证实，在酸性条件下该盐桥的破坏会促进α-螺旋向β-折叠的转化，暗示其在RaPrPC结构稳定性中的作用，并提示其可能成为治疗朊病毒病的潜在药物靶点。

ABSTRACT

Prion diseases are invariably fatal and highly infectious neurodegenerative diseases that affect a wide variety of mammalian species such as sheep and goats, cattle, deer, elks, humans and mice etc., but rabbits have a low susceptibility to be infected by prion diseases with respect to other species. The stability of rabbit prion protein is due to its highly ordered {\beta}2-{\alpha}2 loop (PLoS One 5(10) e13273 (2010); Journal of Biological Chemistry 285(41) 31682-31693 (2010)) and a hydrophobic staple helix-capping motif (PNAS 107(46) 19808-19813 (2010); PLoS One 8 (5) e63047 (2013)). The {\beta}2-{\alpha}2 loop and the tail of Helix 3 it interacts with have been a focus in prion protein structure studies. For this loop we found a salt bridge linkage ASP177-ARG163 (O-N) (Journal of Theoretical Biology 342 (7 February 2014) 70-82 (2014)). Some scientists said on the 2FJ3.pdb NMR file of the rabbit prion protein, the distance of ASP177-ARG163 (O-N) gives the salt bridge of about 10 {\AA} which is nearly null in terms of energy and such a salt bridge is not observed in their work. But, from the 3O79.pdb X-ray file of the rabbit prion protein, we can clearly observe this salt bridge. This article analyses the NMR and X-ray structures and gives an answer to the above question: the salt bridge presents at pH 6.5 in the X-ray structure is simply gone at pH 4.5 in the NMR structure is simply due to the different pH values that impact electrostatics at the salt bridge and hence also impact the structures. Moreover, some molecular dynamics simulation results of the X-ray structure are reported in this article to reveal the secrets of the structural stability of rabbit prion protein.

研究动机与目标

• 解决关于兔朊蛋白中ASP177-ARG163盐桥存在性的相互矛盾报告。
• 研究pH依赖性静电变化如何影响盐桥的稳定性和蛋白质构象。
• 评估β2-α2环及其盐桥在兔对朊病毒疾病低易感性中的作用。
• 探索靶向ASP177-ARG163盐桥在抗朊病毒药物设计中的潜力。

提出的方法

• 比较在不同pH条件下兔朊蛋白（RaPrPC）的X射线结构（PDB 3O79）与NMR结构（PDB 2FJ3）。
• 在300 K和500 K条件下对RaPrPC进行分子动力学（MD）模拟，以评估结构稳定性和盐桥的持久性。
• 通过质子化状态调整（HIP、ASH、GLH）模拟低pH环境，并评估静电效应。
• 分析在不同pH条件下二级结构转变（α-螺旋向β-折叠）的情况。
• 利用动态轨迹分析和氢键模式验证盐桥的存在性。
• 使用同源建模（6EPA.pdb）和在500 K下的MD模拟，确认盐桥的保守性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在生理pH（6.5）下，ASP177-ARG163盐桥是否存在于RaPrPC中？其稳定性如何？
• RQ2 为何在pH 4.5的NMR结构中该盐桥缺失，尽管在pH 6.5的X射线结构中已被观察到？
• RQ3 pH诱导的静电扰动如何影响RaPrPC的结构动态性和二级结构？
• RQ4 盐桥的破坏在多大程度上促进RaPrPC中α-螺旋向β-折叠的转化？
• RQ5 ASP177-ARG163盐桥是否可作为抗朊病毒治疗的可行靶点？

主要发现

• ASP177-ARG163盐桥在pH 6.5时的X射线结构（3O79.pdb）中存在，但在pH 4.5时的NMR结构（2FJ3.pdb）中缺失，原因在于pH依赖性的静电效应。
• MD模拟证实，在300 K下该盐桥在X射线结构中持续存在30 ns，表明其结构稳定性。
• 在低pH条件下，质子化状态的变化会破坏盐桥，导致α-螺旋向β-折叠的转化增加，尤其在seed1-seed3模拟中表现明显。
• 该盐桥通过稳定β2-α2环及其与α3螺旋C端的相互作用，有助于RaPrPC抵抗错误折叠。
• 在500 K下，同源模型（6EPA.pdb）中ASP177-ARG163盐桥在30 ns内持续存在，支持其在热应激下的稳定性。
• 研究结果表明，靶向该盐桥可能抑制PrPC向PrPSc的转化，为朊病毒病提供一种新颖的治疗策略。