9.6nm高密度脂蛋白结构与功能的透射电子显微镜与分子动力学模拟研究

Soft matter physics builds a bridge between physics and biology. Structure and function research of biological macromolecules is one of the most important foundation stones of this bridge. As cardiovascular diseases (CVD) have become the No.1 killer of human health, in recent decades high-density lipoprotein (HDL), which directly relates to human CVD, is becoming a hot research target in this field. Discoidal 9.6nm HDL (140-240 kDa) is a critical intermediate protein of HDL family, and it only contains phospholipids and two apoA-I molecules. It will greatly improve the knowledge of HDL family by studying the structure and function of 9.6nm HDL. However, due to its small molecular weight and dynamic conformations, it is still an open challenge to determining its structures. In this proposal, the applicant proposed to use electron cryo-microscopy, negative-staining electron microscopy, which were specially optimized for lipoproteins, individual-particle electron tomography, and molecular dynamics simulation to study the structure and function of 9.6nm HDL and its complex, by investigating their two-dimensional morphologies and high-resolution three-dimensional reconstructions; then the atom model of this HDL will be defined, and the interaction mechanisms between apoA-I and phospholipids will be obtained; finally the mechanisms of growth and conformational changes of HDL will be revealed. All these results will provide critical information for curing CVD from the sources, and will definitely bring new thoughts for deepening the researches of soft matter physics in biomacromolecular fields.

软物质物理研究是物理科学通向生命科学的桥梁。生物大分子的结构与功能研究是这座桥梁最重要的基石之一。当今心血管疾病是人类健康的头号杀手，因此与之直接相关的高密度脂蛋白成为近年来这方面的热点研究对象。盘状9.6nm高密度脂蛋白是脂蛋白中承上启下的一种关键蛋白，仅含有磷脂和两个apoA-I蛋白；了解该蛋白的结构与功能，将会极大地提高对脂蛋白整个家族的认识。然而由于高密度脂蛋白的分子量小、结构易变等特性，确定其结构仍然是该领域内公认的难题。在本项目中，申请人提出应用针对脂蛋白优化的负染色电镜方法、冷冻电镜条件和电子断层成像重构技术以及分子动力学模拟等手段，来研究9.6nm高密度脂蛋白及其复合物的二维形貌和高分辨三维结构特征，进而确定其分子模型，得到apoA-I与磷脂的作用机制，揭示高密度脂蛋白的生长和变化机理，为从源头上解决心血管疾病提供关键基础，为软物质物理研究在生物大分子方面的深入提供新思路。

软物质物理研究是物理科学通向生命科学的桥梁，而生物大分子的结构与功能研究是这座桥梁最重要的基石之一。当今与心血管疾病直接相关的高密度脂蛋白是近年来心血管疾病防治研究领域的热点对象。盘状9.6nm高密度脂蛋白是高密度脂蛋白中承上启下的一种关键蛋白，了解该蛋白的结构与功能将会极大地提高人类对整个脂蛋白家族的认识。然而由于高密度脂蛋白的分子量小、结构易变等特性，确定其结构仍然是领域内公认的难题。在本项目中，我们应用针对脂蛋白优化的负染色电镜方法、冷冻电镜条件和电子断层成像重构技术以及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9.6nm重组高密度脂蛋白的1-2nm分辨率的三维重构结构，确定 9.6nm 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 9.6nm 高密度脂蛋白的原子模型和分子特征。项目完成了设定的工作内容，达到了预期目标。在9.6nm重组高密度脂蛋白的结构方面，获取了数百个单独脂蛋白的高分辨空间结构并统计了其结构特征；确定了脂蛋白与LCAT的结合位点为apoA-I的143-187号氨基酸区域及其空间显微结构特征；得到了具有实验数据支撑的9.6nm高密度脂蛋白的分子模型，并分析了apoA-I的N端与C端在与磷脂相互作用时的作用，以及apoA-I在无磷脂状态到富含磷脂状态的基本生长规律和分子结构变化特征。这些结果为从源头上解决心血管疾病提供了关键实验数据，并以此为模板为软物质物理研究在生物大分子方面的深入提供了一种新思路。在项目开展过程中，共发表SCI论文9篇，培养在读博士生7人、硕士生2人，项目负责人入选陕西省“百人计划”青年项目。