[论文解读] The nature of the infectious agents: PrP models of resistant species to prion diseases (dog, rabbit and horses)

Jiapu Zhang|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2011

Prion Diseases and Protein Misfolding参考文献 19被引用 5

一句话总结

本研究利用分子动力学模拟，探究了抗性物种（兔、狗和马）在不同pH条件下的朊蛋白（PrP）结构稳定性。研究识别出兔PrP中的D177-R163盐桥及其在狗和马PrP中的对应结构D178-R164，该盐桥在维持C端结构稳定性方面起关键作用，尤其在低pH条件下，表明该相互作用是抗性的重要因素，并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 affecting humans and animals. By now there have not been some effective therapeutic approaches to treat all these prion diseases. In 2008, canine mammals including dogs (canis familials) were the first time academically reported to be resistant to prion diseases (Vaccine 26: 2601--2614 (2008)). Rabbits are the mammalian species known to be resistant to infection from prion diseases from other species (Journal of Virology 77: 2003--2009 (2003)). Horses were reported to be resistant to prion diseases too (Proceedings of the National Academy of Sciences USA 107: 19808--19813 (2010)). By now all the NMR structures of dog, rabbit and horse prion proteins had been released into protein data bank respectively in 2005, 2007 and 2010 (Proceedings of the National Academy of Sciences USA 102: 640--645 (2005), Journal of Biomolecular NMR 38:181 (2007), Journal of Molecular Biology 400: 121--128 (2010)). Thus, at this moment it is very worth studying the NMR molecular structures of horse, dog and rabbit prion proteins to obtain insights into their immunity prion diseases. This article reports the findings of the molecular structural dynamics of wild-type horse, dog, and rabbit prion proteins. The dog and horse prion proteins have stable molecular structures whether under neutral or low pH environments. Rabbit prion protein has been found having stable molecular structures under neutral pH environment, but without structural stability under low pH environment. Under low pH environment, the salt bridges such as D177--R163 were broken and caused the collapse of the stable $α$-helical molecular structures.

研究动机与目标

• 理解兔、狗和马等非易感物种中朊病毒病抗性的分子基础。
• 研究这些物种中朊蛋白（PrP）在中性和低pH条件下的结构稳定性差异。
• 识别特定结构特征（尤其是盐桥）在抵抗错误折叠为致病性PrPSc形式中的作用。
• 比较狗、马和兔PrP之间的序列和结构相似性，以解释其在应激条件下的稳定性差异。
• 评估D177-R163/D178-R164盐桥作为朊病毒病治疗靶点的潜力。

提出的方法

• 在300 K、350 K和450 K下，使用实验测定的NMR结构（PDB编号：2FJ3、1XYK、2KU4）对兔、狗和马的野生型PrP进行分子动力学（MD）模拟。
• 在中性（pH 7）和低pH（pH 3）条件下模拟系统，以评估pH依赖的结构稳定性。
• 追踪二级结构变化、盐桥形成（特别是兔PrP中的D177-R163和狗/马PrP中的D178-R164）以及氢键网络随时间的变化。
• 使用均方根偏差（RMSD）和均方根波动（RMSF）量化结构稳定性和动力学。
• 采用配对序列和结构比对（Needleman-Wunsch、Smith-Waterman、jCE算法）比较进化和构象关系。
• 分析低pH条件下盐桥破坏相关的吉布斯自由能变化，以评估热力学稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何兔、狗和马的朊蛋白对错误折叠为致病性PrPSc形式具有抗性？
• RQ2 兔PrP中的D177-R163盐桥及其在狗和马中的对应结构在低pH条件下如何维持结构稳定性？
• RQ3 在低pH条件下，兔PrP与狗/马PrP的二级结构稳定性有何差异？
• RQ4 狗、马和兔PrP之间的序列和结构相似性在多大程度上与它们的抗性表型相关？
• RQ5 D177-R163/D178-R164盐桥是否可作为朊病毒病治疗干预的可行靶点？

主要发现

• 兔朊蛋白中的D177-R163盐桥在中性pH下对结构稳定性至关重要，但在低pH下因关键离子相互作用被破坏而崩溃。
• 在低pH条件下，兔PrP发生α-螺旋完全展开并部分转化为β-折叠，表明结构完整性丧失。
• 狗和马PrP在中性和低pH条件下均保持稳定的α-螺旋结构，其中D178-R164盐桥起核心稳定作用。
• 兔PrP中的D177-R163盐桥比狗和马PrP中的D178-R164盐桥更易受pH诱导的破坏，解释了其稳定性差异。
• 配对序列和结构比对显示，狗与马PrP之间的序列一致性（89.38%）和相似性（93.81%）高于狗-兔（90.09%一致性，95.95%相似性）或马-兔（87.61%一致性，93.81%相似性），与结构稳定性模式一致。
• 由D177-R163/D178-R164盐桥稳定的β2–α2环区被确定为朊病毒病治疗的潜在药物靶点。