[论文解读] Electrostatics in the Stability and Misfolding of the Prion Protein: Salt Bridges, Self-Energy, and Solvation

Will Guest, Neil R. Cashman+1 more|PubMed|Apr 9, 2010

Prion Diseases and Protein Misfolding参考文献 47被引用 3

一句话总结

本研究采用介观介电理论计算静电贡献——盐桥能、自能和溶剂化效应——对朊蛋白稳定性及错误折叠的影响。结果表明，盐桥和内在静电稳定作用对天然构象至关重要，而脱溶剂化能垒则在特定区域形成约束，有利于特定序列区域被募集形成淀粉样蛋白，疾病易感突变体表现出盐桥稳定作用减弱。

ABSTRACT

Using a recently developed mesoscopic theory of protein dielectrics, we have calculated the salt bridge energies, total residue electrostatic potential energies, and transfer energies into a low dielectric amyloid-like phase for 12 species and mutants of the prion protein. Salt bridges and self energies play key roles in stabilizing secondary and tertiary structural elements of the prion protein. The total electrostatic potential energy of each residue was found to be invariably stabilizing. Residues frequently found to be mutated in familial prion disease were among those with the largest electrostatic energies. The large barrier to charged group desolvation imposes regional constraints on involvement of the prion protein in an amyloid aggregate, resulting in an electrostatic amyloid recruitment profile that favours regions of sequence between alpha helix 1 and beta strand 2, the middles of helices 2 and 3, and the region N-terminal to alpha helix 1. We found that the stabilization due to salt bridges is minimal among the proteins studied for disease-susceptible human mutants of prion protein.

研究动机与目标

• 理解静电作用在稳定朊蛋白天然构象（PrP C）及促进其向致病性PrP Sc形式错误折叠中的作用。
• 量化盐桥、自能和溶剂化对PrP自由能面的贡献。
• 通过计算带电残基进入低介电环境的转移能，识别淀粉样形成中的静电能垒。
• 评估家族性朊蛋白病突变如何改变静电稳定作用，从而增加错误折叠倾向。
• 开发一种能反映蛋白质内部介电响应异质性的介电模型，提升固定介电常数连续介质方法的准确性。

提出的方法

• 应用基于全原子分子动力学模拟推导出有效介电常数的介观蛋白介电理论，避免对内部介电值做任意假设。
• 通过计算脱溶剂化过程中带电残基间溶剂化能变化与库仑相互作用之和，获得盐桥能。
• 计算残基总静电势能及进入低介电（ε ≈ 4）类淀粉样相的转移能。
• 利用NMR集合结构对盐桥能进行平均，以考虑构象多态性。
• 采用Born模型近似估算脱溶剂化能垒，关键方程为：ΔE_total ≈ q²/ε_prot (1/r_ion − 1/r_AB)，表明能量成本始终为正。
• 通过已知疾病突变体和聚集倾向进行结果验证，将静电特征与实验观察结果关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 盐桥和自能贡献如何在野生型及突变型中稳定朊蛋白天然结构？
• RQ2 在PrP Sc形成过程中，带电残基脱溶剂化的静电能垒是什么？其在序列上如何变化？
• RQ3 基于静电转移能谱，朊蛋白的哪些区域最可能被募集进入淀粉样核心？
• RQ4 家族性朊蛋白病致病突变如何改变天然态的静电稳定作用？
• RQ5 静电效应，特别是脱溶剂化能垒，在多大程度上限制PrP Sc的形成并影响其区域选择性招募？

主要发现

• 盐桥和自能贡献对朊蛋白中每个残基均具有普遍稳定作用，天然态下总静电势能始终有利。
• 在家族性朊蛋白病中频繁突变的残基表现出最大的静电能，表明其在结构稳定性中起关键作用。
• 带电基团的脱溶剂化能垒构成显著的能量障碍，导致静电招募特征偏好特定区域——即α1与β2之间、α2与α3的中间区域以及α1的N端——被纳入淀粉样核心。
• 疾病易感的人类朊蛋白突变体表现出极弱的盐桥稳定作用，提示静电稳定性降低是导致错误折叠倾向的重要因素。
• 异质介电模型优于固定介电方法，能准确捕捉埋藏和表面盐桥的强度，提升预测可靠性。
• 本研究证实，净电荷和电荷分布显著影响聚集抗性，净电荷越高，淀粉样形成所需的能量成本越大。