研究背景:阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease,AD）是一种最常见的痴呆病,其主要病理特征是神经元外β-淀粉样蛋白（β-Amyloid,Aβ）形成的斑块和神经元内tau蛋白形成的神经纤维缠结（neurofibrillary tangles,NFTs）。随着靶向Aβ的抗AD药物在临床实验上的持续失败,而tau病理被发现能够独立于Aβ直接发生和发展,且与痴呆的严重程度密切相关。因此,人们越来越关注tau在抗AD病理中的重要价值,并将tau作为治疗AD的另一个潜在药物靶点进行研究。tau存在于神经元中,在中枢神经系统中含量最高。天然的tau是一种高度可溶、没有折叠的微管相关蛋白,对于维持神经元结构、神经元转运和微管稳定性非常重要。tau由N末端区域、富含脯氨酸区域、微管结合区域和C末端区域组成。微管结合区域中包含四个重复域,是tau结合微管的主要位置。在异常情况下,tau能够从微管表面脱落,经过单体错误折叠、成核阶段和纤维伸长三个阶段后聚集成纤维。这种病理性tau形成之后能够扩散到不同的脑区,并作为模板诱导正常tau发生错误折叠和聚集。不同疾病中tau纤维的结构不同,AD中主要的病理性纤维是成对螺旋丝（paired helical filaments,PHFs）。tau的第三和第四个重复域（R3-R4）在不同形态的tau纤维中都是高度纤维化的,被认为是tau纤维的核心片段。因此,抑制tau的纤维化是一种非常有前景的AD治疗策略,尤其是天然小分子在防止tau错误折叠、阻止成熟纤维的形成和分解预先形成的纤维方面具有巨大潜力。运动能够预防AD的发生,延缓AD进程,有效地改善AD病理、提高记忆和认知能力。运动的类型、强度和持续时间会影响人体内褪黑素（melatonin,Mel）的水平。作为内源性天然小分子,Mel能够预防痴呆行为,提高认知能力,缓解Aβ和tau负担。实验发现,Mel能够抑制tau的聚集和分解tau纤维,但是Mel对低聚体的影响及相互作用的分子机制仍不清楚。因此,本研究采用分子动力学模拟探究Mel结合和破坏R3-R4低聚体稳定性的分子机制,以阐明运动影响tau的纤维化、预防或缓解AD进程的微观机理,为运动干预作为一种AD的药物替代疗法或辅助疗法提供理论依据。研究方法:本文采用全原子分子动力学模拟,研究Mel结合和破坏tau的R3-R4原纤维四聚体和纤维八聚体的机制。本研究中Mel的拓扑结构由Glyco Bio Chem PRODRG2服务器生成。本文中所有的模拟均采用AMBER99SB-ILDN力场,然后用GROMACS软件运行。本研究的数据分析主要使用GROMACS自带的程序,此外还有一些自写的程序或脚本作为数据分析的补充工具。研究结果:本文对现有实验上难以表征的天然小分子抑制tau聚集的分子机制进行探究,阐明Mel对tau低聚体的结合行为及抑制机制,有助于在原子层面为运动改善AD病症及延缓AD进程提供解释。主要研究结果如下:Mel阻止残基D348-R379形成盐桥,从而使tau低聚体构象更加伸展。Mel的存在扰乱了疏水性团簇V306-I308-L376-F378的有序排列,破坏了N末端和C末端之间的稳定性。Mel主要与β1和β6-β8区域,以及tau纤维的生长表面接触。Mel与tau的相互作用主要由氢键驱动,芳香堆积和阳离子-π相互作用进一步促进它们之间的结合。此外,Mel能够通过多种结合模式占据四聚体的原纤维丝界面,阻止原纤维丝之间的联合。Mel破坏了八聚体的配对原纤维丝残基K331与对面原纤维丝Q336间的氢键,从而降低八聚体的稳定性。研究结论:Mel降低了tau四聚体和八聚体的结构稳定性,不利于PHFs的形成。Mel主要与tau的β1,β6-β8,以及生长表面接触。氢键Mel与tau的结合中发挥主导作用,芳香堆积和阳离子-π相互作用发挥辅助作用。对于四聚体,Mel通过占据原纤维丝界面阻止原纤维丝之间的联合。对于八聚体,Mel破坏了配对原纤维丝残基之间的氢键,从而降低纤维丝的稳定性。