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研究生： 歐登銘
論文名稱： 跨膜Prion經接觸所誘發的結構轉變
指導教授： 陳啟明
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 物理學系
Department of Physics
論文出版年： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 106
中文關鍵詞： 普利子蛋白質 、穿透膜蛋白質 、蒙地卡羅模擬
英文關鍵詞： prion, PrPsc, PrPc, ctmPrP
論文種類： 學術論文
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    • Prions是一種具有傳染力，且能夠造成致命性神經衰退疾病的病原體。此類疾病發生的原因有可能是透過基因突變、傳染或是偶然的情況所造成的。例如牛海綿狀組織腦病（BSE）、庫賈氏症（CJD）、羊瘙癢症（scrapie）、及阿茲海默症（Alzheimer`s disease）等皆是屬於prions所造成的疾病。這一類疾病的特性，主要是由於腦部累積了不正常摺疊的prion蛋白質（PrP），稱為PrPsc。其中，PrPsc是正常的PrP（PrPc）經由結構上轉變而產生的。然而，某些遺傳性PrP的突變顯示，在缺乏PrPsc的情況之下，也會造成神經衰退疾病。取而代之的，是一種穿透膜形式的PrP，稱為ctmPrP。但是到目前為止，關於神經衰退與ctmPrP之間的關係，及ctmPrP在結構上的變化並不是非常的清楚。在我們的研究裡，我們在三維晶格模型中設計25個胺基酸來模擬ctmPrP在內質網膜內TM1序列的結構轉變。此外，我們也預測PrP濃度與摺疊時間的關係，並與Prusiner的基因轉殖鼠的潛伏期實驗比較，以確保我們所設計的模型之準確性。

    Prions are infectious pathogens that cause a group of fatal neuro- degenerative diseases. Prion diseases can be infectious, sporadic and genetic mutation. The infectious forms of these diseases including bovine spongiform encephalopathy (BSE), Crutzfeldt-Jakob disease (CJD), scrapie of sheep, and Alzheimer`s disease, are usually characterized by the accumulation in the brain of the transmissible pathogen, an abnormally folded prion protein (PrP) termed PrPsc. PrPsc is the isoform of the normal, cellular PrP termed PrPc. However, some inherited PrP mutations appear to cause neurodegeneration in the absence of PrPsc, instead of a transmembrane form of PrP termed ctmPrP. At present, neither the relationship between the neurodegeneration and ctmPrP nor the conformation of ctmPrP has remained clear. In our simulation, we have designed a sequence composed of 25 amino acids in 3D lattice model to simulate the transformation of TM1 in the endoplasmic reticulum membrane. Furthermore, we also have simulated the correlation between the concentration of PrP and folding time. To insure that our simulations models are correct, we have compared our results with Prusiner’s incubation times of the experiments on transgenic mice.

    目次 頁次 第一章 緒論 1 1.1、什麼是prion？ 1 1.2、電腦模擬的重要性 3 第二章 淺談prion的發展歷史 5 2.1、克魯症 5 2.2、庫賈氏症 7 2.3、羊搔癢症 8 2.4、貂瘟 11 2.5、狂牛病 12 2.6、GSS、FFI及醫源性庫賈氏症 14 2.7、病原體的研究 15 2.8、PrP在內質網上的研究 23 2.9、半定量測定法 26 第三章 Prion的模擬方法 38 3.1、prion二維HCPC晶格模型模擬法 38 3.2、prion在三維空間的非晶格模擬法 40 3.3、prion的分子力學模擬法 46 3.4、蛋白質的cooperatively力學特性 50 第四章 Prion結構的蒙地卡羅模擬與能量的計算方式 55 4.1、蒙地卡羅運算法 55 4.2、Metropolis蒙地卡羅運算法 57 4.3、鍵振盪晶格模型 61 4.4、PrP在脂質雙層構造中的蒙地卡羅模擬能量計算方式 62 4.5、蛋白質摺疊模型在鍵振盪系統中的演算法 72 第五章 分析與討論 76 5.1、一條序列上25顆胺基酸的電腦模擬 76 5.2、二聚作用的電腦模擬 81 5.3、三聚作用的電腦模擬 83 5.4、終點滴定實驗結果與電腦模擬的比較 85 5.5、其他模型的預測 100 第六章 結論 102 參考文獻 103 圖1-1 PrPc的預測結構 2 圖1-2 PrPsc的預測結構 2 圖2-1 克魯症患者喪失行為能力 6 圖2-2 澱粉樣蛋白斑 6 圖2-3 星形神經細胞症出現的暗色星星 7 圖2-4 患羊搔癢症的羊 9 圖2-5 羊搔癢症綿羊腦部切片 10 圖2-6 克魯症患者腦部切片 10 圖2-7 患庫賈氏症的人猿 11 圖2-8 在電子顯微鏡下所見的纖維狀物質 19 圖2-9 由纖維狀物質存有澱粉樣斑點 19 圖2-10 SHaPrP序列簡圖 21 圖2-11 化學分子模擬及NMR所預測的SHaPrP結構的比較圖 29 圖2-12 NMR所預測的SHaPrP結構圖 30 圖2-13 Protein X與PrP 互相結合的NMR結構圖 30 圖2-14 PrPsc複製的結合圖(A-D) 31-34 圖2-15 PrPsc與PrPc交互作用，堆疊成纖維狀組織的示意圖 35 圖2-16 膜蛋白示意圖 35 圖2-17 membrane PrP的三種形式 36 圖2-18 membrane PrP的三種形式及PK水解的示意圖 36 圖2-19 各型式的PrP經由PK進行蛋白質水解的示意圖 37 圖3-1 HCPC模型的序列結構圖 41 圖3-2 REFEINER的多胜鏈結構圖 42 圖3-3 α-helix結構及β-sheet三維非晶格結構圖 44 圖3-4 α-hleix接觸β-sheet模板的結構示意圖 45 圖3-5 三聚體的鳥瞰圖及側面圖 45 圖3-6 分子力學模擬SHa PrP 經D147N突變而轉變成PrPsc的結構預測圖 47 圖3-7 六個PrPsc的聚合結構圖 48 圖3-8 Aβ(1-42)在不同溫度下的分子力學模擬圖 49 圖3-9 Aβ(1-42)經過模擬後得到β-sheet二聚體的組合 50 圖3-10 cooperative催化反應示意圖 52 圖3-11加入cooperative effect摺疊時間圖及摺疊時間與序列長度的關係圖 54 圖4-1 Metropolis蒙地卡羅運算法的流程圖 60 圖4-2 晶格模型體積排斥原則示意圖 63 圖4-3 SHa rPrP的蛋白質經突變的序列圖 64 圖4-4 由SHaPrP29-231計算average hydropathy index圖 67 圖4-5 計算分子鍵彎折角度示意圖 69 圖4-6 胺基酸序列在晶格模型中的俯看圖 72 圖5-1 電腦模擬的α-helix結構 77 圖5-2 電腦模擬的double-helix結構 78 圖5-3 由表5-1數據所繪得溫度與MFPT的關係圖 79 圖5-4 α-helix因A117V突變，重新摺疊成β-sheet模板 80 圖5-5 α-helix與β-sheet的初始狀態結構圖 82 圖5-6 經接觸之後，電腦模擬的β-sheet二聚體 82 圖5-7 三條序列在初始狀態的結構圖 84 圖5-8 經接觸之後，電腦模擬的β-sheet三聚體 84 圖5-9 二聚體與α-helix摺疊示意圖 85 圖5-10 Prusiner利用基因轉殖鼠所作的終點滴定實驗圖 86 圖5-11 二聚體的PrPsc濃度與MFPT的關係圖 89 圖5-12 三聚體的PrPsc濃度與MFPT的關係圖。 90 圖5-13 加入cooperative factor 與MFPT的關係圖 94 圖5-14 加入cooperative factor的PrPsc濃度與MFPT關係圖 96 圖5-15 實驗與電腦模擬的比較圖 98 圖5-16 由圖15-5取對數所得到的比較圖 99 表2-1 半數致死量測定結果表 29 表3-1 在HCPC模型的殘基符號表 39 表3-2 Malolepsza設計的α-helix序列表 44 表4-1 Hopp-Woods及Kyte-Doolittle的胺基酸的能量表 65 表4-2 計算SHaPrP序列window20-30的計算結果 66 表5-1 一條序列時，α-helix的溫度與MFPT的數據表 77 表5-2 二聚體的濃度與MFPT的數據表 87 表5-3 三聚體的濃度與MFPT的數據表 88 表5-4 加入cooperative effect的α與MFPT的數據表 92 表5-5各濃度在加入cooperative effect之後與未加入的MFPT 比較表 95 縮寫字 PrP—prion protein PrP --cellular PrP PrP --scarpie PrP PrP—secretory PrP GPI--glycoinositol phospholipids CJD--Creutzfeldt- Jakob Disease TME--transmissible mink encephalopathy BSE--bovine spongiform encephalopathy GSS--Gerstmann-Straussler-Scheinker syndrome FFI--fatal familial insomnia SHa—敘利亞倉鼠 kD--kilo-Dalton PK—proteinase K MFPT --mean first passage time

    參考文獻

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