DẠI HỌC Quốc GIA TP. Hồ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYÊN HOÀNG LINH NGHIÊN CỨU CÂU TRÚC VÀ ĐỘNG Lực HỌC CỦA CÁC OLIGOMER AMYLOID BETA BẰNG MÔ PHỎNG Ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số ngành: 9520401 Phản biện độc lập: Phản biện độc lập: Phản biện: GS. Lê Văn Hoàng Phản biện: PGS. Nguyễn Thị Thúy Hằng Phản biện: TS.
Nguyễn Thụy Việt Phương NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1.TSKH MAI XUÂN LÝ 2.TS HUỲNH QUANG LINH DẠI HỌC Qưóc GIA TP. Hồ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HOÀNG LINH NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ ĐỘNG Lực HỌC CỦA CÁC OLIGOMER AMYLOID BETA BẰNG MÔ PHỎNG LUẬN ÁN TIẾN Sĩ TP. HỔ CHÍ MINH - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả dưới sự hướng dẫn của GS.TSKH Mai Xuân Lý, PGS.TS Huỳnh Quang Linh và cộng tác với đồng sự trong nhóm nghiên cứu. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưói bất kỳ hình thức nào.
Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Iloàng Linh Nguyễn Hoàng Linh i Tóm tắt nội dung Mặc dù trải qua nhiều năm nghiên cứu chuyên sâu, nguyên nhân và cơ chế gây Bệnh Alzheimer (AD, Alzheimer's disease) hiện còn nhiều tranh luận. Sự tích tụ quá mức peptide Amyloid beta (A/ỉ, Amyloid beta) và các dạng kết tụ của nó làm tôn hại tế bào thần kinh là cơ sở của giả thuyêt tâng amyloid (amyloid cascade), được đưa ra để giải thích nguyên nhân gây AD. Vì vậy, cấu trúc của các dạng kết tụ A/3 đóng vai trò tối quan trọng trong hiểu biết về cơ chế AD Ban đầu người ta cho răng các cấu trúc sợi có độc tính nhưng các thí nghiệm gần đây cho thấy oligomer có độc tính cao hơn.
Do đặc tính mất trật tự của peptide A/5 tốc độ kết tụ cao, thời gian sống tương đối ngắn của oligomer A/3 cấu trúc của chúng gần như không thể thu được bằng các phương pháp thực nghiệm. Trong số các oligomer bậc thấp của A/?, trimer, tetramer, hexamer và dodecamer Amyloid beta 1 42 (A/h-42, Amyloid beta 1 42) có độc tính thần kinh cao hơn so với các dạng kêt tụ khác của A/?. Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử đã thành công trong việc thu được các tính chất động học, cấu trúc cho monomer A/3 cũng như tương tác của dimer Ajổ và màng tế bào thần kinh. Vì lý do này, phương pháp mô phóng động lực học phân tử được sít dụng ( rong luận án để khảo sát tetramer và trimer A/3[ 42 hai trong số các dạng oligomer nhỏ nhất và mang độc tính với tế bào thần kinh cao nhất của A/3.
Các cấu trúc thu được từ mô phỏng được đánh giá tính ổn định và so sánh với những mô hình sợi từ thực nghiệm. Những kết quả thu được góp phần giải thích tại sao oligomer bậc thấp của A/3 có cấu trúc phân tử khác biệt với sựi hoàn chinh. Một trong những ảnh hưởng đầu độc tế bào thần kinh của oligomer A/3 là khả năng làm thung màng tế bào mà điển hình là dodecamer A/?1 42 Do đó, ảnh hưởng của dodecamer A/3i 42 và sợi hoàn chỉnh A/31 42 lên cấu trúc màng tế bào thần kinh ó bệnh nhân Alzheimer cũng được nghiên cứu trong luận án này. Các kết quả của luận án cho thấy tetramer A/?i-42 hình thành nên nhiều cấu trúc ổn định có tính đa hình, điều này giải thích sự hiện diện nhiều lộ trình kết tụ khác nhau của A/3.
Các cấu trúc tetramer thu được có cấu tạo bao gồm các chuỗi ngoài vả lõi, và tetramer khác biệt đáng kể với cấu trúc sợi hoàn chỉnh. Tương tác với nước là lý do tại sao tetramer bó chặt hơn và ít khô ở không gian bên trong protein hơn sợi. Các tính chất, hoá lý của những mô hình tất cả nguyên tứ trong luận án phù hợp với những khám phá thực nghiệm và dự đoán lý thuyết hiện có. Do đó, luận án cung cấp các mô hình cấu trúc tetramer A/3ỵ 42 khả dĩ cho nghiên cứu tiếp theo và thiết kế những oligomer bậc cao hơn.
ii Vói trimer A/?1 42, các mô phỏng động lực học phân tử kết hợp phương pháp trao đổi bản sao sử dụng mô hình tất cả nguyên tử với hai cấu hình ban đầu khác nhau được tiến hành gồm i) cấu hình tạo bởi mô phỏng docking monomer vào dimer A/?1 42 (mô phỏng 1), biểu diễn các oligomer tạo mới bằng cách kết hợp các monomer lại với nhau; ii) cấu hình tách ra từ cấu trúc sợi hoàn chỉnh lấy từ thực nghiệm (mô phỏng 2), biểu diễn các oligomer đã sắp xếp cấu trúc ở trạng thái cân bằng có dạng sợi. Kết quả luận án chứng minh rằng mô phỏng 1 của trimer A/Ĩ1-42 hình thành các cấu trúc dạng thùng fi nhó, cho thấy khả năng hình thành tự phát các vùng cấu trúc có dạng tương tự kênh dẫn ion xuyên màng. Các cấu trúc này có tính chất khác với kết quả từ sợi hoàn chỉnh (mô phỏng 2), trong đó đuôi c của peptide A/31-42 là ổn định, ít thay đối so với cấu hình ban đầu, điều này không phát hiện trong mô phỏng 1. cấu trúc dạng thùng Ị3 xuất hiện tự phát trong kết quá của luận án là lần đầu tiên quan sát thấy từ các nghiên cứu mô phỏng.
Ngoài ra, trimer A/h 42 có thể hình thành các lổ xuyên cấu trúc đủ lớn để chứa các phân tử nước và ion Ca2+. Anh hương của dodecamer và sợi hoàn chỉnh của A/Ỉ1 42 lên màng lipid kép nhiều thành phần, tương tự như rnô hình màng tế bào được phát hiện trong các bệnh nhân AD được mô phỏng bằng phương pháp động lực học phân tử. Do thời gian mô phóng ngắn, sự hình thành các lỗ xuyên màng tế bào không dược phát hiện, nhưng vẫn cung cấp thông tin hữu ích về các sự kiện ban đầu của quá trình này. Nghĩa lả, luận án chứng minh rằng dodecamer làm biến dạng màng lipid kép nhiều hơn sựi, diều này cho thấy kênh ion xuyên mảng có thể dễ dàng hình thành khi có mặt oligomer.
Dựa trên kết quá này, chúng tôi dự đoán rằng các oligomer A/h-42 có độc tính với tế bào thần kinh cao hơn sợi hoàn chính, như được quan sát bơi thực nghiệm. Ngoài ra, tương tác A/3 màng tế bào thần kinh được phát hiện là bị chi phối bởi lực đẩy tĩnh điện giữa A/3 và lipid GM1. Modul uốn và nén diện tích của màng tế bào thần kinh khi không có mặt A/3 phù hợp tốt vói thực nghiêm. Dodecamer A/h-42 được dự đoán sẽ làm tăng modul nén diện tích, nhưng có ít hiệu ứng lên modul uốn.
Do tương tác yếu với màng tế bào thần kinh, sợi hoàn chỉnh A/31 42 làm thay đổi không đáng kể các tính chất đàn hồi của màng tế bào thần kinh. Các kết quả thu được cho tetramer, trimer và dodecamer A/?1 42 cho thấy các phương pháp mô phỏng dùng trong luận án là hợp lý trong việc nghiên cứu cấu trúc và tương tác của oligomer A/51-42 với màng té bào thần kinh. Những oligomer này không có cấu trúc xác định, phù hựp với kết quả thực nghiệm. Từ các phân tích tính chất hoá lý cùa tetramer, trimer và so sánh với sựi hoàn chỉnh cùa A/J1-42, tác giả đề xuất giả thuyết về sự khác biệt cấu trúc giữa các dạng kết tụ oligomer của A/3 và sợi hoàn chỉnh.
Tương tác giữa dodecamer, sợi A/?1 -42 và màng tế bào thần kinh mặc dù chỉ được quan sát ở các sự kiện ban đầu nhưng cơ chế phân tứ của tương tác đã góp phần làm sáng tò khả năng đầu độc, làm chết tế bào thần kinh của dạng kết tụ oligomer. Nguyễn Hoàng Linh iii Abstract Despite of many years of intensive research, little is known about cause and mecha nism of Alzheimer’s disease (AD). Excess accumulation of amyloid beta (A/?) peptides and their aggregation lead to ruin the neuronal cells being the basis of an amyloid cascade hypothesis, which attempts to explain the causes of AD. Therefore, the struc ture of A/3 aggregations play crucial role in the knowledge about mechanism of AD.
It was initially thought that fibrils were toxic, but recent experiments have shown that oligomers arc more toxic. Duc to intrinsically disordered character of Afi monomers, the high aggregation rate and transient life time of AjS oligomers, their structures arc vir tually impossible to solve using experimental methods. The trimer, tetramer, hexamer, and dodecamer of Ajỡi 42 have more neuronal toxicity than other aggregation forms of A/?. The molecular dynamics method has succeeded to obtain dynamic and structural properties of monomer A/3 as well as the interaction of dimer A/3 and neuronal mem brane.
For this reason, we used molecular dynamics simulations to extensively search for the conformational space of A/Ĩ1-42 tetramer and trimer. Obtained structures were subsequently tested for stability and compared with proposed experimental fibril mod els. The neuronal membrane pore forming is one of the neuronal toxicities caused by oligomer Afỉ. Therefore, the impact of dodecamer A/?i-42 and mature fibril A/?1 421 on the structural stability of neuron membrane from patients of AD is also investigated in this dissertation.
Our results show that Afli 42 tetramer can form multiple stable structures with poly morphism property, which may explain different aggregation pathways of Afi. Obtained models are composed of outer and core chains, and therefore, are significantly different than the structure of mature fibrils. The interactions with water are the reason why the tetramer A/31-421 is more compact and less dry inside than fibrils. Physicochemi cal properties of the proposed all-atom structures are in agreement with the available experimental observations and theoretical expectations.
Therefore, this dissertation provides possible models for further studies and design of higher order oligomers. iv For A//1 42 trimcr, we performed extended all-atoms molecular dynamics simulations, both canonical and replica-exchange, of A//j 42 trimer starting from two different initial conformations: i) the pose produced by the best docking of a monomer aside of a dimer (simulation 1), representing oligomers freshly formed by assembling monomers; ii) a configuration extracted from an experimental mature fibril structure (simulation 2), representing settled oligomers in equilibrium with extended fibrils. The results show that simulation 1 of A//1 42 trimer populates regions consistent with small //-barrels, indicating the chance of spontaneous formation of domains resembling channel-like structures. These structural domains are alternative to those more representative of mature fibrils (simulation 2), the latter showing a stable bundle of C-termini that is not sampled in simulation 1.
For the first time, the spontaneous existence of//-barrel structure in the results is observed from simulation works. Moreover, trimer of A/?1 42 can form internal pores that are large enough to be accessed by water molecules and Ca2+ ions. The effect of A/3[ 42 dodecamer and fibril on a multiple lipid types membrane, which is similar to that observed in AD patients, using all-atom molecular dynamics sim ulations.
