Mô phỏng quá trình cuộn, phân rã sợi và ảnh hưởng tốc độ dịch mã lên dimer hóa của protein - NCS. Phạm Đăng Lân

Tên luận án: Mô phỏng quá trình cuộn, phân rã sợi và ảnh hưởng tốc độ dịch mã lên dimer hóa của protein
Ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán
Mã số ngành: 62440103
Họ tên nghiên cứu sinh: Phạm Đăng Lân
Khóa đào tạo: 2016
Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH. Mai Xuân Lý
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
1. Tóm tắt nội dung luận án
Luận án nghiên cứu động học cuộn gấp và tụ hợp của protein nhằm làm sáng tỏ cơ chế cuộn, mối liên hệ giữa cuộn sai và sự suy giảm chức năng, khả năng tụ hợp của protein dựa trên một số giả thuyết và quan sát thực nghiệm gần đây. Các nội dung nghiên cứu cụ thể bao gồm:
Tác động của ngoại lực và rối lasso lên lộ trình, thời gian cuộn và khả năng cuộn gấp chính xác của protein: Các mô phỏng động lực học phân tử đã được thực hiện để quan sát và so sánh quá trình tái cuộn từ trạng thái duỗi của miền bám vào thụ thể (RBD) của vi-rút SARS-CoV-1 và SARS-CoV-2. Kết quả cho thấy sự hình thành các trạng thái trung gian chứa đoạn rối lasso không tự nhiên trong quá trình cuộn, có xu hướng bị mắc kẹt động học và cản trở protein cuộn gấp chính xác. Tác động của ngoại lực lên hành vi cuộn của hai protein là không đồng nhất. Trong khi SARS-CoV-2-RBD cuộn chậm lại do lực hãm ở hai đầu protein, tốc độ cuộn của SARS-CoV-1-RBD không thay đổi đáng kể do ngoại lực có thể đã giúp hạn chế xu hướng cuộn sai. Quan sát này ủng hộ giả thiết về việc các chaperone hỗ trợ protein cuộn gấp hiệu quả hơn bằng cách làm chậm quá trình cuộn, giúp protein tránh cuộn sai và bị kết tụ.
Ảnh hưởng của động học dịch mã lên khả năng dimer hóa của protein: Quá trình tổng hợp protein trong ribosome của tế bào được mô phỏng với các tốc độ dịch mã khác nhau để khảo sát ảnh hưởng của động học dịch mã lên quá trình cuộn và dimer hóa của hai protein trong tế bào vi khuẩn E. coli là oligoribonuclease và ribonuclease T. Các cấu trúc gần giống trạng thái tự nhiên nhưng chứa các đoạn rối lasso đặc trưng, bị cuộn sai xuất hiện phổ biến trong quá trình cuộn sau dịch mã của oligoribonuclease. Tỷ lệ xuất hiện của các rối lasso phụ thuộc vào tốc độ dịch mã: giảm khi protein được dịch mã nhanh hoặc chậm hơn so với tốc độ tự nhiên. Các đoạn rối hiện diện ở vùng bề mặt liên kết có tương quan với tương tác yếu hơn giữa các monomer, dẫn đến việc hình thành các cấu trúc dimer kém bền. Ảnh hưởng của tốc độ dịch mã lên khả năng dimer hóa của oligoribonuclease đồng thuận với dữ liệu thực nghiệm được quan sát trên protein FRQ của loài nấm N. crassa. Trong thí nghiệm này, khi các codon hiếm được thay bằng các codon đồng nghĩa dịch mã nhanh hơn, năng lượng liên kết của FRQ với protein WC-2 đã bị giảm 60%. Hệ quả là phức dimer này bị mất chức năng đồng hồ sinh học. Đối với ribonuclease T, do có tốc độ cuộn nhanh và ít xuất hiện cấu trúc rối nên quá trình dimer hóa không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi tốc độ dịch mã.
Sự phân rã nhiệt của sợi Amyloid Beta (Aβ): Protein cuộn sai có xu hướng tích tụ thành các mảng sợi không tan, làm suy thoái tế bào. Để tìm hiểu độ bền và khả năng phân rã sợi liên quan đến việc điều trị các bệnh về thoái hóa thần kinh, chúng tôi đã tiến hành các mô phỏng động lực học phân tử và Monte Carlo để khảo sát quá trình phân rã nhiệt của các cụm sợi Aβ. Lý thuyết hiện tượng luận đã được đề xuất để giải thích các kết quả thu được từ mô phỏng. Cụ thể, động học phân rã monomer từ cụm sợi mẹ có thể được mô tả bởi hàm logistic hoặc hàm mũ đơn khi nồng độ sợi ở dưới một ngưỡng nhất định, phù hợp với các quan sát thực nghiệm về cơ chế phân rã sợi. Trong khi đó, số lượng liên kết sợi giảm theo quy luật hàm mũ đôi. Tốc độ suy giảm chậm hơn của số lượng monomer trong cụm sợi mẹ so với sự suy giảm của số lượng liên kết sợi cũng phản ánh sự phù hợp về mặt định tính của mô hình.     
2. Những kết quả mới của luận án
Ngoại lực hãm ở hai đầu protein có thể giúp giảm thiểu việc protein cuộn sai. Quan sát này đồng thuận với cơ chế các chaperone giúp cho protein cuộn hiệu quả hơn bằng cách làm chậm quá trình cuộn.
Quá trình dimer hóa phụ thuộc vào tốc độ dịch mã protein. Đã có thực nghiệm trước đây cho thấy điều này có thể xảy ra. Các nghiên cứu mô phỏng trong luận án đã góp phần củng cố giả thuyết này, theo đó các quá trình sau dịch mã diễn ra trong tế bào có thể cũng chịu tác động bởi động học hình thành protein chứ không đơn giản là chỉ phụ thuộc vào trình tự chuỗi axit amin.
Sự phân rã monomer ra khỏi sợi Aβ tuân theo cơ chế logistic. Nghiên cứu của luận án đã chỉ ra rằng sự suy giảm số monomer kết tụ theo hàm mũ đơn thu được trong thực nghiệm phù hợp với hàm logistic dưới một ngưỡng nồng độ sợi nhất định.
3. Các ứng dụng/ khả năng ứng dụng trong thực tiễn hay những vấn đề còn bỏ ngỏ cần tiếp tục nghiên cứu
Để làm rõ hơn tác động của ngoại lực lên cấu trúc rối lasso, chúng tôi dự định sẽ nghiên cứu thêm các trường hợp với nhiều giá trị lực khác nhau. Chúng tôi nhận định rằng, khi ngoại lực tăng thì mức độ rối giảm nhưng giả thiết này cần được chứng minh.
Mô phỏng động lực học phân tử kết hợp với mô hình thô được sử dụng trong luận án có thể áp dụng rộng rãi cho các nghiên cứu về tương tác protein-protein, protein-ligand. Tuy nhiên, vì cấu trúc bị thu gọn, các kết luận dựa trên mô phỏng với mô hình thô sẽ có ý nghĩa khoa học hơn nếu có thể kết hợp với quan sát thực nghiệm để tiến hành kiểm chứng. Mô hình cũng mở ra nhiều hướng nghiên cứu tiềm năng liên quan đến động học dịch mã protein trong ribosome như: quá trình cuộn đồng dịch mã, tương tác giữa protein với ribosome và các phân tử chaperone, cơ chế các peptide kháng khuẩn ức chế quá trình dịch mã của vi khuẩn.
Mô hình lưới dùng để khảo sát quá trình phân rã sợi cũng cho thấy tiềm năng ứng dụng trong việc tìm hiểu các thuộc tính của hình thái sợi cũng như có thể được phát triển cho lớp kép lipid và nghiên cứu tác động của nó lên quá trình kết tụ protein. Hơn nữa, mô hình này còn có thể được áp dụng cho nghiên cứu các ứng dụng trong lĩnh vực công nghệ sinh học.