VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ …… ….***………… BÙI PHƯƠNG THUÝ ĐỘNG LỰC HỌC CUỐN PROTEIN TRONG MÔI TRƯỜNG TẾ BÀO LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết vật lý toán Mã số: 62 44 01 03 Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Trịnh Xuân Hoàng Hà Nội – 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án kết trình làm nghiên cứu sinh thời gian học tập Viện Vật lý Học viện Khoa học Công nghệ Cụ thể, chương một, chương hai chương ba phần tổng quan giới thiệu vấn đề sở có liên quan đến luận án Chương bốn giới thiệu phương pháp thuật toán tìm hiểu, xây dựng phát triển luận án Chương năm chương sáu kết nghiên cứu mà thực với thầy hướng dẫn Chương bẩy phần kết luận Tôi xin khẳng định kết có luận án “Động lực học protein môi trường tế bào” kết không trùng lặp với kết luận án công trình có Tác giả luận án Bùi Phương Thuý LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy - PGS TS Trịnh Xuân Hoàng giúp đỡ em hoàn thành luận án Trong suốt 10 năm học tập nghiên cứu hướng dẫn Thầy, em Thầy dẫn nhiều điều bổ ích kiến thức, kỹ năng, tư nghiên cứu khoa học nghiêm túc khoa học Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy - GS TSKH Nguyễn Văn Liễn thầy giảng dạy, làm việc hai trung tâm Vật lý lý thuyết Vật lý tính toán tận tình động viên, hướng dẫn, cung cấp kiến thức tảng cho em Các thầy gương sáng tinh thần làm việc, lối sống, say mê khoa học để em học hỏi, hoàn thiện thân Cùng với kiến thức, hành trang theo em suốt đời Em xin cảm ơn Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định, Trung tâm Vật lý tính toán, Bộ phận Đào tạo sau đại học thuộc Viện Vật lý Học viện Khoa học Công nghệ hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho em học tập, nghiên cứu hoàn thành thủ tục hành suốt trình làm NCS Viện Vật lý Em xin cảm ơn bạn nhóm nghiên cứu, bạn, anh chị làm việc Viện Vật lý đồng nghiệp động viên, giúp đỡ em học tập sống Hơn nói, thực biết ơn gia đình bên, yêu thương, động viên con, hỗ trợ mặt để yên tâm nghiên cứu hoàn thành luận án Hà Nội, Tháng năm 2016 Bùi Phương Thuý Mục lục Danh sách hình vẽ Mở đầu 14 Thành phần hoá học cấu trúc protein 21 1.1 Thành phần hoá học protein 21 1.2 Các bậc cấu trúc protein 23 1.2.1 Cấu trúc bậc 23 1.2.2 Cấu trúc bậc hai 23 1.2.3 Cấu trúc bậc ba 25 1.2.4 Cấu trúc bậc bốn 25 1.3 Sinh tổng hợp protein 26 1.3.1 Quá trình phiên mã 26 1.3.2 Quá trình dịch mã 26 1.4 Các tương tác protein 27 1.5 Kết luận 29 Hiện tượng protein ống nghiệm 30 2.1 Hiện tượng protein ống nghiệm 31 2.2 Địa hình lượng protein 33 2.2.1 Giả thiết phễu 33 MỤC LỤC 2.2.2 Nguyên lý thất vọng tối thiểu 34 2.2.3 Nguyên lý quán tối đa 35 2.3 Cơ chế protein 35 2.3.1 Mô hình hai trạng thái 35 2.3.2 Trạng thái chuyển tiếp 37 2.3.3 Cơ chế tạo nhân 38 2.4 Kết luận 39 Hiện tượng protein môi trường tế bào 41 3.1 Hiện tượng protein sinh tế bào 42 3.2 Chaperone phân tử 44 3.3 Cơ chế định hướng 47 3.4 Hiệu ứng đám đông đại phân tử tế bào 47 3.5 Lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ nghiên cứu hiệu ứng đám đông đại phân tử lên trình protein 50 3.5.1 Áp dụng lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ Minton 53 3.5.2 Áp dụng lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ Zhou 53 3.5.3 Mô hình bổ sung tương tác hút 55 3.6 Kết luận 55 Các phương pháp sử dụng mô protein 57 4.1 Phương pháp động lực học phân tử 57 4.1.1 Phương trình Langevin 57 4.1.2 Thuật toán Verlet 58 4.2 Phương pháp lấy mẫu ô 59 4.3 Phương pháp phân tích biểu đồ có trọng số với giữ 61 4.4 Kết luận 64 MỤC LỤC Sự thoát protein sinh đường hầm ribosome 66 5.1 Mô hình tương tự Go cho protein 67 5.2 Mô hình đường hầm thoát ribosome 70 5.3 Phương pháp lấy mẫu ô cho protein đường hầm thoát 72 5.4 Sự thoát đường hầm thoát đẩy 73 5.5 Mô hình khuyếch tán cho trình thoát 85 5.5.1 Lý thuyết khuyếch tán chiều 85 5.5.2 Quá trình thoát mô hình khuyếch tán chiều 87 5.6 Hiệu ứng hạt hút 89 5.7 Thảo luận 96 5.8 Kết luận 99 Ảnh hưởng đám đông đại phân tử lên trình protein 100 6.1 Mô hình đám đông đại phân tử điều kiện biên 101 6.2 Ảnh hưởng đám đông đại phân tử lên ổn định protein 102 6.3 Ảnh hưởng đám đông đại phân tử lên lượng tự 104 6.4 Ảnh hưởng đám đông đại phân tử lên bờ lượng tự trạng thái chuyển tiếp 111 6.5 Thảo luận 112 6.6 Kết luận 114 Kết luận 115 Danh sách công bố tác giả 117 Tài liệu tham khảo 118 Danh sách hình vẽ 1.1 (a) Cấu trúc chung amino acid, (b) Cấu trúc proline 21 1.2 Phản ứng trùng ngưng 22 1.3 Chuỗi polypeptide 23 1.4 Biểu diễn mạch xương sống cấu trúc bậc hai phổ biến protein GB1: (a) Xoắn α, (b) Phiến β 1.5 24 Biểu diễn dạng ruy băng cấu trúc bậc ba hai protein sử dụng nghiên cứu này: miền B-1 protein G (GB1) (a) miền Z protein tụ cầu A (SpA) (b) 25 2.1 Địa hình lượng kiểu sân golf nghịch lý Levinthal 33 2.2 Phễu mô tả mối quan hệ lượng entropy Bề mặt gồ ghề phễu mô tả bẫy động học 34 2.3 Giản đồ lượng tự mô hình hai trạng thái 36 2.4 Minh hoạ trình chuyển trạng thái thông qua góc nhìn cổ điển Quả bóng chuyển hố tới đỉnh lượng nằm hai hố Tương tự, trình chuyển trạng thái protein xảy protein đạt tới trạng thái chuyển tiếp 3.1 38 a) Thể tích loại trừ (màu xám) cho mô hình hai cầu rắn b) Thể tích loại trừ (màu xám) chèn cầu cứng vào dung dịch chứa cầu cứng khác Khu vực màu trắng phần không gian tự đặt khối tâm cầu 50 DANH SÁCH HÌNH VẼ 3.2 So sánh lượng tự ∆∆FN −U protein GB1 phụ thuộc vào nồng độ đại phân tử đám đông Φc áp dụng lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ Zhou Minton Với lý thuyết Minton, trạng thái trạng thái duỗi protein coi cầu cứng có bán kính aN = 11.2 ˚ A aU = 16.5 ˚ A tương ứng Với lý thuyết Zhou, trạng thái duỗi protein coi chuỗi Gaussian có bán kính hồi chuyển RU = 16.5 ˚ A trạng thái g coi cầu cứng có bán kính aN = 11.2 ˚ A Bán kính đại phân tử đám đông Rc = 10 ˚ A 4.1 Minh hoạ thêm vào (đường nét đứt) để làm giảm độ cao rào giản đồ lượng tự hệ (đường nét liền) 4.2 54 61 Các biểu đồ biểu diễn số trạng thái N có lượng E tương ứng với mô ba nhiệt độ khác Các nhiệt độ chọn để biểu đồ phủ 5.1 64 (a) Sự phụ thuộc nhiệt dung riêng C vào nhiệt độ T cho protein GB1 (đường liền nét) cho protein SpA (đường đứt nét) Nhiệt độ đỉnh nhiệt dung riêng Tf 0.922 cho protein GB1 0.804 cho protein SpA hệ đơn vị /kB (b) Sự phụ thuộc lượng tự F vào số tiếp xúc Nc cho protein GB1 (đường liền nét) cho protein SpA (đường đứt nét) 5.2 67 Minh hoạ mô hình đường hầm thoát ribosome Đường hầm thoát mô hình hoá ống trụ rỗng với đáy kín đáy mở gắn vào tường phẳng Đường hầm thoát có chiều dài L = 100˚ A, đường kính d = 15˚ A, tâm chạy dọc theo trục x Tường đường hầm thoát đẩy amino acid (a), chứa vài hạt hút có kích thước tương tự amino acid (các điểm màu xanh) xếp cách vòng tròn mặt phẳng vuông góc với trục đường hầm thoát toạ độ x = 70˚ A (b) Protein sinh mọc từ PTC (điểm màu đỏ Hình a) đặt gốc toạ độ, vào đường hầm thoát Các cấu hình minh hoạ chụp từ mô MD protein GB1 71 DANH SÁCH HÌNH VẼ 5.3 Đồ thị mô tả Lennard-Jones (LJ) (a) LJ bị cắt (b) sử dụng mô hình tương tác amino acid tường đường hầm thoát với amino acid 5.4 71 Phân bố cấu hình protein có chiều dài đầy đủ hoàn thành dịch mã hàm số tiếp xúc cuốn, Nc , bán kính hồi chuyển, Rg , cho protein GB1 nhiệt độ T = 0.4 /kB (a,b) T = 0.8 /kB (c,d) Phân bố thu từ 1000 mô độc lập nhiệt độ cho tốc độ dịch mã xác định tg định nghĩa thời gian cần thiết để chuỗi polypeptide dài thêm amino acid Các biểu đồ vẽ cho ba tốc độ dịch mã khác nhiệt độ với giá trị tg thích hình vẽ 5.5 74 Tương tự Hình 5.4 cho SpA với ba tốc độ dịch mã khác ứng với tg = 10τ, 50τ, 100τ hai nhiệt độ T = 0.4 /kB T = 0.8 /kB 75 5.6 Biểu đồ số lượng cấu hình xuất trình thoát protein GB1 (a,b,c) SpA (d,e,f) hàm số amino acid bên đường hầm thoát (Nout ) số tiếp xúc hình thành (Nc ) đường hầm thoát đẩy nhiệt độ T = 0.4 /kB cho ba ˚ trường hợp đường kính đường hầm thoát khác nhau: d = 10A(a,d), d = 15˚ A(b,e) d = 20˚ A(c,f) Biểu đồ thu từ 100 mô độc lập với thời gian dịch mã cho amino acid tg = 100τ suốt trình tổng hợp protein Màu sắc tương ứng với số lượng cấu hình xuất trình thoát theo hàm log 5.7 77 Sự phụ thuộc theo nhiệt độ thời gian median đường hầm thoát đẩy (tfold ), thời gian thoát median (tesc ), thời gian lại median protein biến tính tự (trefold ) Thời gian thoát tính từ thời điểm protein sinh có chiều dài đầy đủ giải phóng khỏi PTC dịch mã nhanh với thời gian tổng hợp thêm amino acid tg = 10τ (a) dịch mã chậm với tg = 100τ (b) Dữ liệu hình vẽ nhận từ 1000 mô độc lập nhiệt độ 78 DANH SÁCH HÌNH VẼ 5.8 Sự phụ thuộc vào thời gian xác suất thành công, Pfold , với có mặt đường hầm thoát đẩy (đường nét liền) lại không gian tự (đường nét đứt) nhiệt độ T = 0.4 /kB cho GB1 (a) SpA (b) Thời gian đường hầm thoát tính từ protein có chiều dài đầy đủ giải phóng từ PTC trường hợp thời gian dịch mã nhanh tg = 10τ 5.9 80 Sự phụ thuộc lượng tự theo số amino acid thoát đường hầm thoát (Nout ) số tiếp xúc hình thành (Nc ) cho protein GB1 (a) SpA (b) đường hầm thoát đẩy, nhiệt độ T = 0.4 /kB Nout xét với giá trị từ tới N − 1, N tổng số amino acid protein Năng lượng tự tính dựa mô lấy mẫu ô phương pháp phân tích biểu đồ có trọng số Đường kính đường hầm thoát d = 15 ˚ A 82 5.10 Sự phụ thuộc lượng tự F theo toạ độ, xC , đầu C protein dọc theo trục đường hầm thoát cho đường chủ yếu GB1 (a) SpA (b) đường hầm thoát đẩy, bốn nhiệt độ T = 0.4, 0.8, 1.2, 2.0 /kB 84 5.11 Hàm phân bố thời gian thoát, τ , từ đường hầm thoát đẩy protein GB1 Biểu đồ chuẩn hoá tính từ liệu mô nhiệt độ T = 1.2 /kB (nét liền) T = 0.4 /kB (nét đứt) thu từ mô với thời gian dịch mã amino acid tg = 10τ trình tổng hợp protein Biểu đồ khớp (đường mịn) hàm phân bố cho phương trình (5.10) với x = L Hình góc bên phải biểu diễn phụ thuộc độ lệch chuẩn, σt , theo thời gian thoát trung bình, µt , giá trị nhiệt độ khác hàm tuyến tính, nhận với tg = 10τ (vòng tròn) tg = 100τ (dấu cộng) 86 Chương Kết luận Trong luận án này, nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện tương tự tế bào lên trình protein, tập trung vào ảnh hưởng riêng biệt đường hầm ribosome đám đông đại phân tử lên protein, sử dụng cách tiếp cận vật lý thống kê phương pháp mô động lực học phân tử với phương trình Langevin Nghiên cứu luận án cho thấy đường hầm ribosome ảnh hưởng mạnh lên trình protein sinh Cụ thể là: Nghiên cứu nghiên cứu đường hầm thoát ribosome gây chế định hướng protein sinh sau trình dịch mã chấm dứt Cơ chế định hướng xảy miền nhiệt độ thấp trình xảy đồng thời với trình thoát protein sinh khỏi đường hầm ribosome Cơ chế định hướng đường hầm ribosome làm tăng hiệu cách giúp protein hạn chế số cấu hình trung gian số đường cuốn, giúp protein tránh rơi vào bẫy động học Như vậy, chế định hướng nhiệt độ thấp có lợi cho protein sinh Quá trình thoát protein sinh mô tả trình khuyếch tán chiều hạt trường tuyến tính hiệu dụng mô tả phương trình Smoluchowski Quá trình thoát trình có tác động qua lại lẫn Quá trình làm tăng tốc độ khuyếch tán, tương tác hút hạt hút nằm tường đường hầm thoát protein sinh lại làm chậm trình Tương tác hút làm xuất rào chắn lượng tự 115 CHƯƠNG KẾT LUẬN 116 đường thoát protein đường hầm ribosome Rào chắn làm chậm trình thoát protein, giúp tăng khả thành công hạn chế giải phóng protein sinh chưa kịp Trong nghiên cứu hiệu ứng đám đông đại phân tử, thu kết sau: Đám đông đại phân tử làm tăng tính ổn định protein Sự thay đổi lượng tự ảnh hưởng đám đông đại phân tử phù hợp với áp dụng lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ Minton, đó, trạng thái trạng thái duỗi protein coi cầu cứng với bán kính hiệu dụng Các bán kính phụ thuộc mạnh hay yếu vào nồng độ đám đông tuỳ thuộc vào protein Chúng coi phụ thuộc tuyến tính, lượng tự khớp với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ tốt so với việc coi bán kính số số nghiên cứu trước [100] Các nghiên cứu trước xem xét tác động riêng rẽ hiệu ứng đám đông hiệu ứng giam cầm lên tính ổn định protein Trong luận án này, xem xét tác động đồng thời hai hiệu ứng ảnh hưởng giam cầm không gian lên tính ổn định protein tương tự ảnh hưởng đám đông chúng có tính chất cộng Trong giới hạn nồng độ khảo sát, độ cao rào lượng tự liên quan tới tốc độ protein giảm theo tăng nồng độ đại phân tử đám đông Các protein khác cư xử khác chịu tác động đám đông Các nghiên cứu luận án giúp hiểu biết sâu sắc thêm trình protein tế bào, góp phần vào hiểu biết protein nói riêng phân tử sinh học nói chung từ quan điểm vật lý Các kết công bố luận án kiểm chứng thực nghiệm mô mô hình thực tế mô hình gồm tất nguyên tử Ngoài ra, mô hình phương pháp luận án áp dụng cho nghiên cứu khác tương lai Cụ thể, dự kiến nghiên cứu ảnh hưởng kích thước hình dạng đường hầm ribosome lên thời gian thoát protein sinh nghiên cứu hiệu ứng đám đông đại phân tử lên trình thoát protein sinh đường hầm ribosome DANH SÁCH CÁC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ DANH SÁCH CÁC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 117 (1) Bui Phuong Thuy and Trinh Xuan Hoang, Evolution of protein-protein interaction networks in duplication-divergence model, Communications in Physics 22, 7-14 (2012) Bui Phuong Thuy and Trinh Xuan Hoang, Effects of ribosomal exit tunnel on protein’s cotranslational folding, Communications in Physics 23, 219-225 (2013) Bui Phuong Thuy, Hoang Thi Thu Huong and Trinh Xuan Hoang, Effects of macromolecular crowding on protein folding, Journal of Physics: Conference Series 627, 012027 (2015) Phuong Thuy Bui and Trinh Xuan Hoang, Folding and escape of nascent proteins at ribosomal exit tunnel, The Journal of Chemical Physics 144, 095102 (2016) (1) Luận án không sử dụng kết công trình Tài liệu tham khảo [1] Ai X, Zhou Z, Bai Y, and Choy WY, “ 15 N NMR Spin Relaxation Dispersion Study of the Molecular Crowding Effects on Protein Folding under Native Conditions”, J Am Chem Soc 128, 3916-3917 (2006) [2] Alberts B, Bray D, Lewis J, Raff M, Roberts K, and Watson JD, “Molecular biology of the cell”, Garland, New York (2002) [3] Alder BJ and Wainwright TE, “Studies in Molecular Dynamics I General Method”, J Chem Phys 31, 459 (1959) [4] Allen MP and Tildesley DJ, “Computer Simulation of Liquids”, Oxford Science Publications [5] Anfinsen C, “Principles that govern the folding of protein chains”, Science 181, 223-230 (1973) [6] Anfinsen CB, Redfield RR, Choate WI, Page J, Carroll WR, “Studies on the gross structure, cross-linkages, and terminal sequences in ribonuclease”, J Biol Chem 207, 201 (1954) [7] Batra J, Xu K and Zhou HX, “Nonadditive effects of mixed crowding on protein stability”, Proteins 77, 133–138 (2009) [8] Benedek GB, “Cataract as a protein condensation disease: the Proctor Lecture”, Invest Ophthalmol Vis Sci 38, 1911–21 (1997) [9] Benton LA, Smith AE, Young GB and Pielak GJ, “Unexpected effects of macromolecular crowding on protein stability”, Biochemistry 51, 9773–9775 (2012) 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO 119 [10] Bhushan S, Gartmann M, Halic M, Armache JP, Jarasch A, etal “α-Helical nascent polypeptide chains visualized within distinct regions of the ribosomal exit tunnel”, Nat Struct Mol Biol 17, 313-17 (2010) [11] Blattner FR, Plunkett G, Bloch CA, et al., “The complete genome sequence of Escherichia coli K-12”, Science 277, 1453–62 (1997) [12] Boehr DD, Dyson HJ, Wright PE, “An NMR perspective on enzyme dynamics”, Chem Rev 106, 3055-79 (2006) [13] Bloemendal H, de Jong W, Jaenicke R, Lubsen NH, Slingsby C, Tardieu A, “Ageing and vision: structure, stability and function of lens crystallins”, Prog Biophys Mol Biol 86, 407–85 (2004) [14] Boublik T, “Statistical thermodynamics of convex molecule fluids”, Mol Phys 27, 1415-1427 (1974) [15] Brandt F, Etchells SA, Ortiz JO, Elcock AH, Hartl FU, Baumeister W, “The native 3D organization of bacterial polysomes”, Cell 136, 261-271 (2009) [16] Brinker A, Pfeifer G, Kerner MJ, Naylor DJ, Hartl FU, Hayer-Hartl M, “Dual function of protein confinement in chaperonin-assisted protein foldingCell 107, 223–233 (2001) [17] Bryngelson JD, and Wolynes PG, “Intermediates and barrier crossing in a random energy model (with applications to protein folding)”, J Phys Chem 93, 6902-6915 (1989) [18] Bryngelson JD, Onuchic JN, Socci ND, and Wolynes PG, “Funnels, pathways, and the energy landscape of protein folding: a synthesis”, Proteins 21, 167-195 (1995) [19] Buhr F, Jha S, Thommen M, Mittelstaet J, Kutz F, Schwalbe H, Rodnina MV, Komar AA, “Synonymous codons direct cotranslational folding toward different protein conformations”, Mol Cell bf 61, 341–351 (2016) [20] Bustamante C, Bryant Z, Smith SB, “Ten years of tension: single-molecule DNA mechanics”, Nature 421, 423-7 (2003) TÀI LIỆU THAM KHẢO 120 [21] Cabrita LD, Cassaignau AM, Launay HM, Waudby CA, et al “A structural ensemble of a ribosome-nascent chain complex during cotranslational protein folding”, Nat Struct Mol Biol 23, 278–285 (2016) [22] Cabrita LD, Hsu ST, Launay H, Dobson CM, Christodoulou J, “Probing ribosomenascent chain complexes produced in vivo by NMR spectroscopy”, Proc Natl Acad Sci USA 52, 22239-22244 (2009) [23] Charlton LM, Barnes CO, Li C, Orans J, Young GB and Pielak GJ, “Residuelevel interrogation of macromolecular crowding effects on protein stability”, J Am Chem Soc 130, 6826–6830 (2008) [24] Cheung MS, Klimov D, Thirumalai D, “Molecular crowding enhances native state stability and refolding rates of globular proteins”, Proc Natl Acad Sci USA 102, 4753–4758 (2005) [25] Chiang PK, Lam MA, Luo Y, “The many faces of amyloid beta in Alzheimer’s disease”, Curr Mol Med 8, 580-4 (2008) [26] Denos S, Dhar A and Gruebele M, “Crowding effects on the small, fast-folding protein lambda6-85”, Faraday Discuss 157, 451–462 (2012) [27] Deuerling E, Bukau B, “Chaperone-assisted folding of newly synthesized proteins in the cytosol”, Crit Rev Biochem Mol Biol 39, 261 (2004) [28] Dill KA, Ozkan SB, Weikl TR, Chodera JD, and Voelz V.A, “The protein folding problem: when will it be solved?”, Curr Opin Struct Biol 17, 342–346 (2007) [29] Dill KA, Ozkan SB, Shell MS, and Weikl TR, “The protein folding problem”, Annu Rev Biophys 37, 289–316 (2008) [30] Dill KA, and Chan HS, “From Levinthal to pathways to funnels”, Nat Struct Biol 4, 10 (1997) [31] Dobson CM, “Protein folding and misfolding”, Nature 426, 884–890 (2003) [32] Dresios J, Derkatch IL, Liebman SW, Synetos D, “Yeast ribosomal protein L24 affects the kinetics of protein synthesis and ribosomal protein L39 improves translational accuracy, while mutants lacking both remain viable.”, Biochemistry 39, 7236-7244 (2000) TÀI LIỆU THAM KHẢO 121 [33] Elcock AH, “Molecular simulations of cotranslational protein folding: Fragment stabilities, folding cooperativity, and trapping in the ribosome”, PloS Comp Biol 2, 824-841 (2006) [34] Ellis R J, and Minton AP, “Cell biology: join the crowd”, Nature 425, 27-28 (2003) [35] Ellis RJ, “Macromolecular crowding: obvious but underappreciated”, Trends Biochem Sci 26, 597–604(2001) [36] Ellis RJ, Minton AP, “Protein aggregation in crowded environments”, Biol Chem 387, 485–97 (2006) [37] Evans MS, Sander IM, Clark PL, “ Cotranslational folding promotes beta-helix formation and avoids aggregation in vivo”, J Mol Biol 383, 683 (2008) [38] Fedorov AN and Baldwin TO, “Cotranslational protein folding”, J Biol Chem 272, 32715-8 (1997) [39] Ferreira ST, Vieira MN, De Felice FG, “Soluble protein oligomers as emerging toxins in Alzheimer’s and other amyloid diseases”, IUBMB Life 59, 332-45 (2007) [40] Ferrenberg AM, and Swendsen RH, “Optimized Monte Carlo data analysis”, Phys Rev Lett 63, 1195-1198 (1989) [41] Fersht AR, “Structure and mechanism in protein science.” W H Freeman, New York (1999) [42] Fersht AR, “Transition-state structure as a unifying basis in protein-folding mechanisms: Contact order, chain topology, stability, and the extended nucleus mechanism”, Proc Natl Acad Sci USA 97, 1525 (2000) [43] Frydman J, “Folding of newly translated proteins in vivo: The role of molecular chaperones”, Annu Rev Biochem 70, 603 (2001) [44] Fulle S, Gohlke H, “Statics of the Ribosomal Exit Tunnel: Implications for Cotranslational Peptide Folding, Elongation Regulation, and Antibiotics Binding”, J Mol Biol 387, 502 (2009) [45] Fuller BG, “Self-organization of intracellular gradients during mitosis”, Cell Div 5, (2010) TÀI LIỆU THAM KHẢO 122 [46] Fulton AB, “How crowded is the cytoplasm?”, Cell 30, 345-347(1982) [47] Gibbons RM, “The scaled particle theory for particles of arbitrary shape”, Mol Phys 17, 81-86 (1969) [48] Gilbert RJC, Fucini P, Connell S, Fuller SD, Nierhaus KH, Robinson CV, Dobson CM, Stuart DI, “Three-dimensional structures of translating ribosomes by CryoEM”, Mol Cell 14, 57-66 (2004) [49] Go N, “Theoretical studies of protein folding”, Ann Rev Biophys Bioeng 12, 183-210 (1983) [50] Go N, Abe H, “Noninteracting local-structure model of folding and unfolding transition in globular proteins I Formulation.”, Biopolymers 20, 991-1011(1981) [51] Goldenberg DP, “Computational simulation of the statistical properties of unfolded proteins”, J Mol Biol 326, 1615-1633 (2003) [52] Grantcharova V, Alm EJ, Baker D, and Horwich AL, “Mechanisms of protein folding”, Curr Opin Struct Biol 11, 70–82 (2001) [53] Gregory S, Sandeepkumar K, Jens M, and Edward W Lowe Jr, “Computational Methods in Drug Discovery”, Pharmacological Reviews 66, 334-395 (2014) [54] http://www.gromacs.org [55] Gruebele M, Dave K, Sukenik S, “Globular Protein Folding In Vitro and In Vivo”, Annu Rev Biophys., 45, 233-251 (2016) [56] Guo MH, Xu YF and Gruebele M, “Temperature dependence of protein folding kinetics in living cells”, Proc Nati Acad Sci USA 109, 17863–17867 (2012) [57] Haataja L, Gurlo T, Huang CJ, Butler PC, “Islet amyloid in type diabetes, and the toxic oligomer hypothesis”, Endocr Rev 29, 303-316 (2008) [58] Hartl FU, Hartl MH, “Converging concepts of protein folding in vitro and in vivo”, Nat Struct Mol Biol 16, 574-581 (2009) [59] Hoang TX and Cieplak M, “Sequencing of folding events in Go-like proteins”, J Chem Phys 113, 8319 (2000) TÀI LIỆU THAM KHẢO 123 [60] Hoang TX, Cieplak M, “Protein folding and models of dynamics on the lattice”, J Chem Phys 109, 9192-9196 (1998) [61] Holtkamp W, Kokic G, Jager M, Mittelstaet J, Komar AA, Rodnina MV, “Cotranslational protein folding on the ribosome monitored in real time”, Science 350, 1104–1107 (2015) [62] Homouz D, Perham M, Samiotakis A, Cheung MS, and Wittung-Stafshede P, “Crowded, cell-like environment induces shape changes in aspherical protein”, Proc Nati Acad Sci USA 105, 11754-11759 (2008) [63] Homouz D, Stagg L, Wittung-Stafshede P and Cheung MS, “Macromolecular Crowding Modulates Folding Mechanism of α/β Protein Apoflavodoxin”, Biophys J 96, 671-680 (2009) [64] Hoppener JW, Ahrén B, Lips CJ, “Islet amyloid and type diabetes mellitus”, N Engl J Med 343, 411-419 (2000) [65] Huang GS and Oas TG, “Submillisecond folding of monomeric A repressor”, Proc Nati Acad Sci USA 92, 6878-6882 (1995) [66] Irvine GB, El-Agnaf O, Shankar GM, Walsh DM, “Protein aggregation in the brain: the molecular basis for Alzheimer’s and Parkinson’s diseases”, Mol Med 14, 451-464 (2008) [67] Jacob M, Geeves M, Holtermann G and Schmid FX, “Diffusional barriercrossing in a two-stateprotein folding reaction”, Nat Struct Mol Biol 6, 923 - 926 (1999) [68] Jackson SE, Fersht AR, “Folding of chymotrypsin inhibitor Evidence for a two-state transition”, Biochemistry 30, 10428-35 (1991) [69] Jackson SE, “How small single-domain proteins fold?” Fold Des 3, R81–R91 (1998) [70] Jean DS, Alan SC, “Review: History of the Amyloid Fibril”, Journal of Structural Biology 130, 88-98 (2000) [71] Kaiser CM, Goldman DH, Chodera JD, Tinoco Jr I, and Bustamante C, “The ribosome modulates nascent protein folding”, Science 334, 1723 (2011) TÀI LIỆU THAM KHẢO 124 [72] Kastner J, Thiel W, “Bridging the gap between thermodynamic integration and umbrella sampling provides a novel analysis method: Umbrella integration”, J Chem Phys 123, 144104 (2005) [73] Klimov DK, and Thirumalai D, “Viscosity Dependence of the Folding Rates of Proteins”, Phys Rev Lett 79, 317 (1997) [74] Kornberg A, “Ten Commandments: Lessons from the Enzymology of DNA Replication”, J Bacteriol 182, 3613–3618 (2000) [75] Kosolapov A, and Deutsch C, “Tertiary Interactions within the Ribosomal Exit Tunnel”, Nat Struct Mol Biol 16, 405-411 (2009) [76] Kramer G, Boehringer D, Ban N and Bukau B, “The ribosome as a platform for co-translational processing, folding and targeting of newly synthesized proteins”, Nat Struct Mol Biol bf 16, 589–597 (2009) [77] Kramers HA, “Brownian motion in a field of force and the diffusion model of chemical reactions”, Physica 7, 284-303 (1940) [78] Kubitschek HE, “Cell volume increase in Escherichia coli after shifts to richer media.”, J Bacteriol 172, 94–101 (1990) [79] Kumar S, Bouzida D, Swendsen R, Kollman P, and Rosenberg J, “THE weighted histogram analysis method for free-energy calculations on biomolecules I The method”, J Comput Chem 13,1011-1021 (1992) [80] Landau LD and Lifshitz EM, Fluid Mechanics, Second Edition p.61 (1987) [81] Lebowitz JL, Helfand E, and Praestgaard E, “Scaled particle theory of fluid mixtures”, J Chem Phys 43, 774-779 (1965) [82] Levinthal C, “Are there pathways for protein folding?”, J Chim Phys 65, 44 (1968) [83] Levinthal C, “How to Fold Graciously”, Mossbauer Spectroscopy in Biological Systems: Proceedings of a meeting held at Allerton House, Monticello, Illinois (University of Illinois Press), 22-24 (1969) [84] Lu J, Deutsch C, “Electrostatics in the ribosomal tunnel modulate chain elongation rates”, J Mol Biol 384, 73-86 (2008) TÀI LIỆU THAM KHẢO 125 [85] Luby-Phelps K, “Cytoarchitecture and physical properties of cytoplasm: volume, viscosity, diffusion, intracellular surface area”, Int Rev Cytol 192, 189-221 (2000) [86] Ma Q, Fan JB, Zhou Z, Zhou BR, Meng SR, Hu JY, Chen J, Liang Y, “The Contrasting Effect of Macromolecular Crowding on Amyloid Fibril Formation”, Plos one 7, 36288-4 (2012) [87] Marenduzzo D, Finan K, and Cook P, “The depletion attraction: an underappreciated force driving cellular organization”, The Journal of Cell Biology 175: 681-686 (2006) [88] Marino J, Heijne G and Beckmann R, “Small protein domains fold inside the ribosome exit tunnel”, FEBS Letters 590, 655–660 (2016) [89] Martinez JC, Serrano L, “The folding transition state between SH3 domains is conformationally restricted and evolutionarily conserved”, Nat Struct Biol 6, 1010-6 (1999) [90] Maxwell KL et al “Protein folding: defining a “stan- dard” set of experimental conditions and a preliminary kinetic data set of two-state proteins”, Protein Sci 14, 602–616 (2005) [91] Mayer MP, Bukau B, “Hsp70 chaperones: Cellular functions and molecular mechanism”, Cell Mol Life Sci 62, 670 (2005) [92] Merz F, Boehringer D, Schaffitzel C, Preissler S, Hoffmann A, et al “Molecular mechanism and structure of trigger factor bound to the translating ribosome”, EMBO J 27, 1622 (2008) [93] Miklos AC, Li CG, Sharaf NG and Pielak GJ, “Volume exclusion and soft interaction effects on protein stability under crowded conditions”, Biochemistry 49, 6984–6991 (2010) [94] Miklos AC, Sarkar M, Wang Y and Pielak GJ, “Protein crowding tunes protein stability”, J Am Chem Soc 133, 7116–7120 (2011) [95] Minton AP, “Excluded volume as a determinant of macromolecular structure and reactivity”, Biopolymers 20, 2093-2120 (1981) TÀI LIỆU THAM KHẢO 126 [96] Minton AP, “Models for Excluded Volume Interaction between an Unfolded Protein and Rigid Macromolecular Cosolutes: Macromolecular Crowding and Protein Stability Revisited”, Biophys J 88, 971-985 (2005) [97] Minton AP, “Quantitative assessment of the relative contributions of steric repulsion and chemical interactions to macromolecular crowding”, Biopolymers 99, 239-244 (2013) [98] Minton AP, “The effect of volume occupancy upon the thermodynamic activity of proteins: some biochemical consequences”, Mol Cell Biochem 55, 119-140 (1983) [99] Minton AP, “The influence of macromolecular crowding and macromolecular confinement on biochemical reactions in physiological media”, J Biol Chem 276, 10577–80 (2001) [100] Mittal J, Best RB, “Dependence of Protein Folding Stability and Dynamics on the Density and Composition of Macromolecular Crowders”, Biophys J 98, 315–320 (2010) [101] Monterroso B, and Minton AP, “Effect of High Concentration of Inert Cosolutes on the Refolding of an Enzyme CARBONIC ANHYDRASE B IN SUCROSE AND FICOLL 70*”, J Biol Chem 282, 33452-33458 (2007) [102] Nakatogawa H, Ito K, “The Ribosomal Exit Tunnel Functions as a Discriminating Gate”, Cell 108, 629-636 (2002) [103] Nilsson OB, Hedman R, Marino J, et al “Cotranslational Protein Folding inside the Ribosome Exit Tunnel”, Cell Rep 12,1533-40 (2015) [104] Nitzan A, Chemical Dynamics in Condensed Phases, Relaxation, Transfer, and Reactions in Condensed Molecular Systems, Oxford University Press (2014) [105] O’Brien EP, Hsu ST, Christodoulou J, Vendruscolo M, and Dobson CM, “Transient tertiary structure formation within the ribosome exit port”, J Am Chem Soc bf 132, 16928–16937 (2010) [106] O’Brien EP, Christodoulou J, Vendruscolo M, and Dobson CM, “New scenarios of protein folding can occur on the ribosome”, J Am Chem Soc 133, 513–526 (2011) TÀI LIỆU THAM KHẢO 127 [107] O’Brien EP, Christodoulou J, Vendruscolo M, and Dobson CM, “Trigger factor slows co-translational folding through kinetic trapping while sterically protecting the nascent chain from aberrant cytosolic interactions”, J Am Chem Soc 134, 10920–10932 (2012) [108] O’Brien EP, Vendruscolo M, Dobson CM, “Prediction of variable translation rate effects on cotranslational protein folding”, Nat Commun 3, 868 (2012) [109] Ciryam P, Morimoto RI, Vendruscolo M, Dobson CM, O’Brien EP, “In vivo translation rates can substantially delay the cotranslational folding of the Escherichia coli cytosolic proteome”, Proc Natl Acad Sci USA 110, 132–140 (2013) [110] Perutz MF, Kendrew JC, The Nobel Prize in Chemistry 1962 [111] Petrone PM, Snow CD, Lucent D, and Pande VS, “Side-chain recognition and gating in the ribosome exit tunnel”, Proc Natl Acad Sci USA 105, 16549-16554 (2008) [112] Phillips R and Quake SR, “The biological frontier of physics”, Physics Today 59, 38-43 (May 2006) [113] Plaxco KW and Baker D, “Limited internal friction in the rate-limiting step of a two-state protein folding reaction”, Proc Natl Acad Sci USA 95, 13591–13596 (1998) [114] Qu Y and Bolen DW, “Efficacy of macromolecular crowding in forcing proteins to fold”, Biophys Chem 101-102, 155-165 (2002) [115] Ramachandran GN, Ramakrishnan C, Sasisekhanran V, “Stereochemistry of polypeptide chain configurations”, J Mol Biol 7, 95-99 (1963) [116] Reiss H, Frisch HL, and Lebowitz JL, “Statisticalmechanics of rigidspheres”, J Chem Phys 31, 369-380 (1959) [117] Roberts A and Jackson SE, “Destabilised mutants of ubiquitin gain equal stability in crowded solutions”, Biophys Chem 128, 140–149 (2007) [118] Seidelt B, Innis CA, Wilson DN, Gartmann M, Armache JP, Villa E, Trabuco LG, Becker T, Mielke T, Schulten K et al., “Structural Insight Into Nascent Polypeptide Chain-Mediated Translational Stalling”, Science 326, 1412-1415 (2009) TÀI LIỆU THAM KHẢO 128 [119] Shakhnovich EI, “Theoretical studies of protein-folding thermodynamics and kinetics”, Current Opinion in Structure Biology 7, 29-40 (1997) [120] Spencer DS, Xu K, Logan TM and Zhou HX, “Effects of pH, salt, and macromolecular crowding on the stability of FK506-binding protein: an integrated experimental and theoretical study”, J Mol Biol 351, 219–232 (2005) [121] Stagg L, Christiansen A, and Wittung-Stafshede P, “Macromolecular crowding tunes folding landscape of parallel α/β protein, apoflavodoxin”, J Am Chem Soc 133, 646-648 (2011) [122] Tang YC, Chang HC, Roeben A, Wischnewski D, Wischnewski N, Kerner MJ, et al., “Structural features of the GroEL-GroES nano-cage required for rapid folding of encapsulated protein.”, Cell 125, 903-914 (2006) [123] Torrie GM, Valleau JP, “Nonphysical sampling distributions in Monte Carlo freeenergy estimation - Umbrella sampling”, J Comput Phys 23, 187-199 (1977) [124] Tsao D, and Dokholyan NV, “Macromolecular crowding induces polypeptide compaction and decreases folding cooperativity”, Phys Chem Chem Phys 12, 34913500 (2010) [125] Travasso RDM, Faísca PFN and Rey A , “The protein folding transition state: Insights from kinetics and thermodynamics”, J Chem Phys 133, 125102 (2010) [126] Ugrinov KG, Clark PL, “Cotranslational Folding Increases GFP Folding Yield”, Biophys J 98, 1312–1320 (2010) [127] Van den Berg B, Ellis RJ, Dobson CM, “Effects of macromolecular crowding on protein folding and aggregation”, EMBO J 18, 6927-33 (1999) [128] Van den Berg B, Wain R, Dobson CM, Ellis RJ, “Macromolecular crowding perturbs protein refolding kinetics: implications for folding inside the cell”, EMBO J 19, 3870-3875 (2000) [129] Verlet L, “Computer "Experiments" on Classical Fluids I Thermodynamical Properties of Lennard-Jones Molecules”, Phys Rev 159, 98 (1967) [130] Voss NR, Gerstein M, Steitz TA, Moore PB, “The geometry of the ribosomal polypeptide exit tunnel”, J Mol Biol 360, 893-960 (2006) TÀI LIỆU THAM KHẢO 129 [131] Wang Y, Sarkar M, Smith AE, Krois AS and Pielak GJ, “Macromolecular crowding and protein stability”, J Am Chem Soc 134, 16614–16618 (2012) [132] Woolhead CA, Johnson AE, Bernstein HD, “Translation arrest requires two-way communication between a nascent polypeptide and the ribosome”, Mol Cell 22, 587-598 (2006) [133] Young JC, Agashe VR, Siegers K, Hartl FU, “Pathways of chaperone- mediated protein folding in the cytosol”, Nat Rev Mol Cell Biol 5, 781–791 (2004) [134] Zhou HX, “Effect of Mixed Macromolecular Crowding Agents on Protein Folding”, Proteins 72, 1109-1113 (2008) [135] Zhou HX, “Influence of crowded cellular environments on protein folding, binding, and oligomerization: biological consequences and potentials of atomistic modeling”, FEBS Lett 587, 1053-1061(2013) [136] Zhou HX, “Polymer crowders and protein crowders act similarly on protein folding stability”, FEBS Lett 587, 394-7 (2013) [137] Zhou HX, “Protein folding in confined and crowded environments”, Arch Biochem Biophys 469, 76-82 (2008) [138] Zhou HX, Dill KA, “Stabilization of proteins in confined spaces”, Biochemistry 40, 11289-93 (2001) [139] Zhou HX, Rivas G, Minton AP, “Macromolecular crowding and confinement: biochemical, biophysical, and potential physiological consequences”, Annu Rev Biophys 37, 375–397 (2008) [140] Zimmerman SB, Minton AP, “Macromolecular crowding: biochemical, biophysical, and physiological consequences”, Annu Rev Biophys Biomol Struct 22, 27-65 (1993) [141] Zimmerman SB, Trach SO, “Estimation of macromolecule concentrations and excluded volume effects for the cytoplasm of Escherichia coli”, J Mol Biol 222, 599-620 (1991) [...]... quá trình cuốn của protein trong các điều kiện bên trong tế bào là đặc biệt cần thiết Quá trình này diễn ra như thế nào? Bị ảnh hưởng ra sao bởi các quá trình sinh tổng hợp protein tại các ribosome? Protein làm cách nào để cuốn chính xác và nhanh chóng trong một môi trường đông đúc, không đồng nhất bên trong tế bào? Đây là những câu hỏi quan trọng về quá trình cuốn protein trong môi trường tế bào, mở... một chuỗi chưa cuốn [128], làm giảm hiệu quả cuốn vì làm tăng khả năng kết tụ protein [36, 127] Như vậy, môi trường nội bào với sự tồn tại của rất nhiều các protein mới sinh và các đại phân tử khác tạo ra một môi trường bất lợi đối với quá trình cuốn của protein trong tế bào, dễ cuốn hỏng hoặc kết tụ [36, 127] Do đó, để tối ưu hoá quá trình cuốn của protein, đảm bảo rằng quá trình cuốn là hiệu quả... quá trình cuốn của protein trong tế bào sẽ chịu ảnh hưởng của một đám đông đại phân tử khiến cho các protein trong tế bào sẽ cư xử theo một cách thức hoàn toàn khác với trong ống nghiệm (một số ảnh hưởng của đám đông đại phân tử được chỉ ra trong chương 3 của luận án này) Do đó những gì diễn ra trong tế bào có thể khác với các kết quả thu được trong ống nghiệm với các giải pháp pha loãng protein ở... trình cuốn của chuỗi mới sinh sau dịch mã và mối quan hệ giữa quá trình cuốn và quá trình thoát khỏi đường hầm ribosome cần được làm rõ Trong khi đó, ở Việt Nam hiện nay vẫn chưa có nhóm nghiên cứu nào thực hiện các nghiên cứu về vấn đề này Vì vậy, để làm phong phú hơn hiểu biết của chúng ta về quá trình cuốn của protein, chúng tôi thực hiện nghiên cứu về động lực học cuốn protein trong môi trường tế bào. .. nhiên của protein Quá trình cuốn trong phễu cuốn là quá trình giảm năng lượng đồng thời với CHƯƠNG 2 HIỆN TƯỢNG CUỐN PROTEIN TRONG ỐNG NGHIỆM 34 Hình 2.2: Phễu cuốn mô tả mối quan hệ giữa năng lượng và entropy Bề mặt gồ ghề của phễu cuốn mô tả các bẫy động học giảm entropy về trạng thái tự nhiên Giả thiết về phễu cuốn cho phép protein nhanh chóng cuốn về trạng thái tự nhiên, bởi vì số cấu hình mà protein. .. tổng hợp protein cho tế bào 1.3.2 Quá trình dịch mã Trong quá trình dịch mã (translation) là quá trình tổng hợp protein từ tế bào chất, ngôn ngữ 4 bazơ của mRNA được dịch mã thành ngôn ngữ 20 amino acid của protein Quá trình giải mã trình tự nucleotide trên mRNA thành trình tự amino acid cần sự tham gia của phân tử tRNA Ở tế bào vi khuẩn, hiện đã xác định được 30-40 loại tRNA và ở tế bào động vật và... trình biến đổi động lực học từ cấu trúc bậc một có thể cho sản phẩm là một cấu hình khác với cấu hình tự nhiên của protein, gọi là quá trình cuốn lỗi (misfolding) Protein sẽ mất đi các chức năng sinh học vốn có khi nằm ở trạng thái cuốn lỗi Như vậy, bài toán cuốn của protein có hai câu hỏi lớn cần được làm rõ là: yếu tố nào quyết định cấu hình tự nhiên của protein? và cơ chế nào giúp protein cuốn nhanh... chi tiết trong chương 4 của luận án Để thực hiện nghiên cứu về quá trình cuốn của protein mới sinh, chúng tôi khảo sát các đại lượng sau: thời gian cuốn và thoát ra của protein mới sinh tại đường hầm ribosome so sánh với thời gian cuốn lại của protein; biểu đồ các cấu hình của protein trong suốt thời gian cuốn và thoát ra khỏi đường hầm thoát; xác suất cuốn thành công của protein mới sinh khi cuốn tại... HIỆN TƯỢNG CUỐN PROTEIN TRONG ỐNG NGHIỆM 35 tương tác trong trạng thái tự nhiên là tối thiểu Với thất vọng tối thiểu, địa hình năng lượng của protein không có hoặc chỉ bao gồm một số ít các bẫy động học, tương ứng với một bề mặt năng lượng trơn mượt Các nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng cho thấy các bẫy động học luôn tồn tại trong địa hình năng lượng của protein Ở nhiệt độ thấp, các bẫy động học làm chậm... của protein và mang lại cho ông giải Nobel Hoá học năm 1972 CHƯƠNG 2 HIỆN TƯỢNG CUỐN PROTEIN TRONG ỐNG NGHIỆM 33 Hình 2.1: Địa hình năng lượng kiểu sân golf trong nghịch lý Levinthal 2.2 Địa hình năng lượng của protein 2.2.1 Giả thiết về phễu cuốn Mỗi cấu hình protein có một năng lượng xác định Trên cơ sở nhiệt động học có thể coi trạng thái tự nhiên là cấu hình có năng lượng thấp nhất Quá trình cuốn