蛋白纤维化过程中蛋白聚集体手性结构的和频振动光谱研究

Protein fibrillation is relevant to about forty human diseases. Oligomer and fibril formed during protein fibrillation are believed to be the two possible pathogenic agents for protein fibrillation diseases. Chiral structural investigation of protein fibrillation is a critically important topic. In this study, we will use sum frequency generation vibrational spectroscopy (SFG-VS)to investigate the chiral structures of protein aggregates during protein fibrillation. We will show that by simply depositing the protein aggregates onto solid substrate surface, we will be able to use SFG-VS, a surface sensitive technique, to rapidly and sensitively detect the chiral structures that are originally formed in bulk environment，at the air/solid interface. We will use such approach to investigate the chiral structures of the aggregates formed by beta-amyloid protein that are relevant to Alzheimer’s disease. We will focus on the chiral structural differences and similarities of different types of protein aggregates and the transition between different chiral structures. We hope our work helps better understanding of protein fibrillation from a chiral perspective. We also hope we can develop SFG-VS into a general chiral characterization technique in the field of protein fibrillation.

蛋白纤维化与多达四十种威胁人类健康的疾病密切相关。蛋白纤维化过程中形成的中间态多聚体和终态成熟纤维一直以来被认为是造成蛋白纤维化疾病的两大可能的致病因子。针对这两种聚集体的手性结构研究对我们深入理解蛋白纤维化机理至关重要。本研究中我们将应用和频振动光谱技术对蛋白纤维化过程中聚集体的手性结构进行研究。我们提出通过将生长于体相溶液中的蛋白聚集体负载于固态基底表面的方法，实现利用和频振动光谱这一界面选择性技术在气/固界面对蛋白纤维化聚集体手性结构的灵敏和便捷检测。我们将利用此思路对与阿尔茨海默病相关的beta-淀粉样蛋白形成的多种聚集体进行手性结构研究，探讨不同聚集体手性结构上的共性与差异，研究蛋白纤维化过程中手性结构的演化规律。本课题的成功不仅有助于从手性的视角理解蛋白纤维化过程，还将有助于把和频振动光谱技术发展为一种通用的蛋白纤维化聚集体手性结构表征工具，因而具有十分重要的基础研究意义。

本项目利用手性和频振动光谱技术并结合其他多种生物物理研究方法对蛋白淀粉样纤维化过程进行了研究。主要内容包括：（1）发展了对蛋白手性纤维结构进行和频振动光谱表征的实验方法。提出采取合适的固态基底对蛋白手性纤维进行负载可以获得具有高质量手性和频光谱；（2）发展了一种用于监测蛋白手性结构变化的敏感的和频振动光谱探针。该探针可以用于监测手性形成过程中的手性演化规律以及不同蛋白淀粉样纤维手性结构的微观差异。（3）研究了Beta-淀粉样肽体系的纤维化过程，提出了该类多肽纤维化的机理模型；（4）发现了一种新型淀粉样纳米片结构，并构建了达到氨基酸残基水平的微观结构模型；（5）首次提出了基于奥斯特瓦尔德熟化理论的淀粉样纳米片生成机理；（6）提出了水解溶菌酶无序多肽体系的淀粉样纤维化机制模型；（7）利用手性和频振动光谱构建了硫代黄素T对淀粉样纤维的吸附模型；（8）研究了不同环境因素对淀粉样纤维化的影响，并主要从二次成核的角度对蛋白淀粉样纤维化过程中纤维形貌的变化进行了解释。