初生态盘状高密度脂蛋白结构与功能关系的微观物理机理研究

Nascent discoidal high-density lipoprotein (HDL) is the key target to prevent and cure cardiovascular diseases. Due to small molecular weights and dynamic conformations, it is still an open challenge and important scientific question to determining HDL’s structures and functions and the microscopic physical mechanisms between its structures and functions. In this project, the applicant proposes to use optimized negative-staining electron microscopy, which were specially optimized for lipoproteins, electron cryo-microscopy, individual-particle electron tomography and molecular dynamics simulations, to study the three-dimensional dynamic structures and the microscopic physical mechanisms of several key nascent discoidal HDLs and their complexes. By reconstructing the three-dimensional electron density maps of discoidal HDLs and their complexes, the physical growth process will be studied and key amino acid sites will be located. Then by employing molecular modelling methods, the atomic models of HDLs under different status will be built, and the physical origins of HDLs’ multiple structures and functions will be defined. Finally, molecular dynamics simulations will be used to deeply research the physical process of the dynamic interaction of apoA-I and lipids, and the microscopic physical mechanisms of HDLs’ dynamic structures and lipid-transferring functions will be discovered. All of these results will lay the foundation of understanding the origins of CVD from the source, and will provide guidance of designing novel targeted drugs, and will also definitely bring new thoughts for deepening the application of physics in biomacromolecular research fields.

初生态盘状高密度脂蛋白（HDL）是预防和治疗心血管疾病的关键靶标。由于分子量小、结构动态性强，HDL的结构与功能以及两者之间微观物理机理的研究依然是领域内公认的难题和亟待解决的重要科学问题。在本项目中，我们拟采用针对脂蛋白优化的负染色方法、冷冻电镜技术、单粒子电子断层成像技术和分子动力学模拟等手段，研究几种关键盘状HDL的三维动态结构及其调控脂类输运的微观物理机理。首先解构多种状态下盘状HDL及其复合物的三维电子密度图，研究HDL从无脂到饱含磷脂状态的物理生长过程，定位关键氨基酸位点；然后利用分子建模方法建立各种状态的分子模型，揭示其多态和多功能的物理成因；最后应用分子动力学模拟深入研究载脂蛋白A-I与磷脂动态相互作用的物理过程，阐明HDL动态结构与载脂功能的微观物理机理。为从源头上理解心血管疾病的成因奠定基础，为新型靶向药物的设计提供指导，为物理学在生物大分子方面的深层次应用提供新思路。

胆固醇逆循环过程是人体清理胆固醇堆积的重要过程，因此在此过程中行使关键功能作用的初生态盘状高密度脂蛋白（HDL）就成为了预防和治疗心血管疾病的关键靶标。针对其分子量小、结构动态性强的特点和难点，我们了采用针对脂蛋白优化的负染色方法、冷冻电镜技术、单粒子电子断层成像技术和分子动力学模拟等手段，分为三个方面开展了研究工作：取得具有统计学意义的7.8nm、8.4nm和12nm重组高密度脂蛋白的2nm以下分辨率的三维重构结构，分别确定这三类高密度脂蛋白与LCAT的结合位点，以及应用分子动力学模拟方法确定和研究初生态盘状高密度脂蛋白的原子模型和分子特征。项目完成了设定工作内容，达到了预期目标。在重组高密度脂蛋白结构方面，分别获取了7.8nm、8.4nm和12nm HDL的数百个单独个体的高分辨空间结构并统计了其结构特征；确定了这三类脂蛋白与LCAT的结合位点，分析了载脂蛋白A-I（apoA-I）的143-187号氨基酸区域与LCAT的结合位置及其空间显微结构特征；得到了具有实验数据支撑的7.8nm、8.4nm和12nm高密度脂蛋白的分子模型，并额外确定了5nm、17nm和24nm高密度脂蛋白结构形态，厘清了apoA-I的N端与C端在与磷脂相互作用时的作用机制，以及apoA-I在无磷脂状态到少量磷脂及富含磷脂状态的基本生长特征和分子结构变化规律。这些结果为从基于胆固醇逆转运过程在分子层面上解决相关心血管疾病提供了关键实验数据，并以此为模式的软凝聚态物理和生物物理研究在生命物质大分子方面的深入提供了一种新探索。在项目开展过程中，共发表学术论文18篇，培养硕士生3人，博士生8人，项目负责人获国家自然科学基金委优秀青年科学基金项目支持，获陕西省青年科技奖奖励；目前仍有博士生5人继续从事此项目的后续研究。