朊病毒病,又称为传染性海绵状脑病,是一系列神经退行性疾病的总称。动物中常见的朊病毒病包括疯牛病和羊瘙痒症等,人类中常见的有克雅氏病、致死性家族失眠症、格斯特曼综合症以及库鲁病等。由于致病机制不清楚,这类疾病目前仍然没有有效的治疗措施。而从正常细胞型的朊蛋白（PrP^C）向致病的“scrapie”型的朊病毒(PrP^Sc)的构象转变被认为是朊病毒病发生的关键。因此研究PrP^C向PrP^Sc的构象转变机理对我们深入理解朊病毒病的发病机制和寻求有效的治疗手段至关重要。相对于传统的实验方法,分子动力学模拟方法在蛋白质的构象转变研究中具有独特的优势,可以直观地展示蛋白构象转变的动态过程和详细的结构、能量变化信息。基于此,在本论文中,我们在总结朊病毒病发病机制研究进展的基础上,首先基于metadynamics模拟及动态网络分析探讨了酸性条件及H187R突变对朊蛋白的错误折叠的影响。在此基础上,我们利用分子模拟的手段进一步设计了一系列抑制朊蛋白聚集的多肽分子。具体内容包括:第一部分:酸性条件及H187R突变条件下朊蛋白错误折叠机制的分子模拟研究。α2 C-端被广泛地认为是朊蛋白构象转变的重要位点,是可以用于探讨朊蛋白错误折叠潜在机制的重要区域。另外,多项实验研究表明酸性条件和H187R突变可以加速朊蛋白的错误折叠。引入这些条件,可以高效地研究朊蛋白的构象转变机制。因此,为了研究朊蛋白的错误折叠机制,针对朊蛋白的α2 C-端,我们首先进行了500 ns的metadynamics模拟研究。为了进行比较,总共设计了三个体系,包括中性体系、酸性体系以及H187R突变体系。由metadynamics模拟中获得的自由能表面表明,酸性条件和H187R突变可以通过降低朊蛋白构象转变的能垒并形成更稳定的亚稳态构象来促进朊蛋白的错误折叠。针对α2 C-端的进一步分析表明,由于酸性和H187R突变体系中第187位氨基酸残基正电荷的增加,导致第187位氨基酸残基和R136/R156的静电排斥大大增加,这破坏了α2 C-端周围的静电相互作用网络,从而使朊蛋白的疏水核心暴露在溶剂之中。总之,酸性条件和H187R突变可以通过降低构象转变的能垒并形成更加稳定的亚稳构象来加速朊蛋白的错误折叠,并且第187位氨基酸残基周围静电网络的破坏驱使α2 C-端开始发生错误折叠。这项研究对朊蛋白错误折叠过程中α2 C-端的相关功能作出了定量的阐释,对于基于α2 C-端的朊病毒病抑制剂的设计提供了重要的理论指导。第二部分:利用分子模拟手段进行抑制朊蛋白聚集的多肽分子的设计。朊病毒病的治疗问题一直以来是科研工作者们值得攻克的一个难题。目前在实验水平上有良好效果的抗朊病毒病的药物主要有小分子化合物、抗体和多肽。其中,多肽药物有着副作用小、免疫原性低、特异性高和临床试验成功率高的优势。此外,已有研究报道含有朊蛋白片段相似序列的多肽分子可以逆转朊蛋白发生错误折叠和聚集。报道过的几种PrP^Sc的晶体结构揭示了β1介导的分子间片层,提示β1链可能是β-sheet介导的PrP^Sc增殖的起始点,能够聚集成淀粉样纤维。因此,我们在已报道的朊蛋白β1链序列的基础上,结合先前的众多研究成果添加了转角和帽子,从而设计了24条初始β-hairpin肽序列。随后经过在I-TASSER在线程序的结构预测得到了这些肽的三维结构,接着对这24条多肽在AMBER中分别进行了200 ns的常规分子动力学模拟得到了相应的轨迹,并通过一系列的轨迹分析监测了多肽在模拟过程中的结构稳定性,筛选出构象稳定性比较好的多肽,最后通过硫黄素T荧光实验,筛选出可以抑制朊蛋白聚集的活性多肽。综上所述,我们的研究结果从朊蛋白的α2 C-端的结构、热力学和构象转变性质的角度出发,为朊蛋白错误折叠的潜在机制提供了相对完整的阐释,这对于我们了解朊病毒病潜在的发病机理具有重要的价值,并且可以为发现朊病毒病的小分子和多肽抑制剂提供一定的理论基础。在此基础上,基于朊蛋白β1结构序列,设计了24条可能形成β-hairpin构象的多肽,通过分子动力学模拟和进一步的硫黄素T荧光筛选实验,筛选得到了多条具有抑制活性的多肽。总体而言,我们的研究结果对朊病毒病的发病机制的进一步阐明和朊病毒病抑制剂的发现具有重要的参考价值。