2009年8月4日

骨骼的材料缺陷导致疾病:微小的裂缝会造成脆性骨骼疾病

丹尼斯布雷姆

(PhysOrg.com)——疲软的肌腱和脆弱的骨头成骨不全症的特征,或脆弱的骨骼疾病,源于基因突变导致的不正确的替换一个氨基酸链中的成千上万的氨基酸组成胶原蛋白分子,骨头和肌腱的基本构建块。

根据MIT的研究人员，MINUSCULE编码误差会产生缺陷的胶原蛋白分子，即在氨基酸取代的部位，排斥而不是吸引胶原蛋白分子。这造成了一个微小的裂痕组织这种疾病在许多分子中重复出现时，会导致组织脆性、骨折、畸形，最严重的形式是死亡。例如，如果健康的胶原蛋白组织看起来像一张纸，那么患病的胶原蛋白组织看起来更像一张布满小孔的纸。在这些穿孔处，薄片更容易被撕裂。

这可能是第一次详细的基于分子的多尺度分析材料在人类疾病中的作用，8月4日出版的一篇论文生物物理期刊详细描述被取代的氨基酸是如何排斥其他氨基酸而不是与它们形成化学键，从而在氨基酸上产生一种根本改变的结构纳米级这导致宏观上受到严重受损的组织。这种疾病研究方法，称为“产物”项目，由MIT公安和环境工程系的Markus Buehler教授Markus Buehler，可以证明对其他疾病的研究有价值 - 特别是胶原蛋白和其他蛋白质基于疾病 - 材料的行为和故障起到关键作用。

“思考疾病的物质性质如何变化可能导致新的范例在研究超出生物化学方法的遗传障碍中，”Buehler说。

“我们想看看胶原蛋白分子中的一个单点基因突变是如何导致整个组织变脆、变软甚至失效的。医学界发现了基因和患者之间的相关性;我们的兴趣是发现遗传和材料行为之间的相关性，”他说。

比勒在2009年3月出版的一篇文章中首次描述了物质经济学的方法自然材料。他认为，将这种方法应用于胶原疾病作为起点，可能导致对其他蛋白质疾病中涉及的组织的机械特性进行类似的分析。全世界每16000人中就有1人患有脆性骨病，胶原蛋白缺陷与许多其他疾病有关，包括阿尔波特综合征(肾病)和埃勒斯-丹洛斯综合征(皮肤和关节过于灵活)。更广泛的蛋白质类疾病甚至包括阿尔茨海默氏症等神经元疾病。

三年前，Buehler使用基于原子的多尺度建模来详细描述胶原蛋白的层次结构，包括哺乳动物体中最具结构材料的组织。他的模型包括胶原蛋白的自下而上描述，占分子的分层组装的核算，其中每个氨基酸的三个螺旋线组成。分子布置在称为原纤维的包装中，共同构成整个组织。

在一项新的研究中，Buehler和麻省理工学院的研究生Sebastian Uzel，以及米兰理工大学的Alfonso Gautieri, Alberto Redaelli和Simone Vesentini在原子水平上模拟了I型胶原的行为，一直到构成整个组织的原纤维的规模。

脆性骨病的不同严重程度与特定的基因突变有关;一些取代甘氨酸的氨基酸会造成更严重的成骨不全。

使用原子学建模，研究人员既易于替换八种不同氨基酸代替甘氨酸改变胶原蛋白分子的电化学行为，并影响胶原蛋白分子的电化学性能胶原组织。他们了解到，造成最严重形式的疾病的突变也与在组织中造成更明显裂缝的最大程度的不利影响有关，这些裂缝导致组织恶化和失效。