분자 동역학 시뮬레이션을 이용한 아그리칸의 구조적 특성 분석 연구

Abstract

[한글]본 연구는 분자 동역학 시뮬레이션을 이용한 단백질 연구이다. 단백질은 인체에서 물 다음으로 큰 비중을 차지하고 있다. 이러한 단백질은 세포의 주요 구조를 형성하고 생명 활동에 주요 역할을 수행한다. 각 단백질 분자의 기능은 이들의 구조와 거동에 의해 결정되기 때문에 단백질 구조와 거동의 예측으로 오랫동안 의

문으로 남았던 생명현상의 문제를 풀 수 있다.

본 연구는 많은 실험적 연구를 통해 관찰되고 있는 아그리칸을 살펴보고자 한다. 아그리칸은 척추 뼈를 지탱하고 충격 흡수장치 역할을 하는 추간원판의 수핵에 물과 함께 많이 분포하고 있는 단백질이다. 물과 아그리칸은 퇴화단계로 접어들면서 그 양이 급격히 감소한다는 것과 퇴화단계에 따라 아그리칸의 농도가 감소한다는 것이 많은 선행연구들을 통하여 밝혀졌다. 따라서 본 연구에서는 물의

양이 아그리칸의 구조에 어떤 영향을 주는지 일리노이대학교(University of Illinois)에서 개발한 NAMD (NAnoscale Molecular Dynamics)와 VMD (Visual Molecular Dynamics) 소프트웨어를 이용하여 살펴보았다.

퇴화 전은 아그리칸의 양이 물에 비해 상대적으로 많기 때문에 물의 두께를 6A으로 설정하여 아그리칸의 구조적 특성을 살펴보았고 퇴화가 막 진행된 상태와 퇴화가 많이 진행된 상태는 아그리칸의 양이 물에 비해 상대적으로 적기 때문에 물의 두께를 20 A과 30 A으로 설정하여 아그리칸의 구조적 특성을 살펴보았다.

2차 구조를 살펴본 결과, 물 두께 6 A, 20 A속 아그리칸에서 볼 수 있던 2차 구조가 물 두께 30 A속 아그리칸 경우에서는 무질서한 코일구조로 물의 양에 의해 구조적 차이가 생긴 것을 알 수 있었다. 3차 구조와 연결 상태 지도를 통하여 물의 양이 많아질 수 록 아그리칸 잔기간의 거리가 가까워졌음을 관찰할 수 있었다. 수소 결합은 물의 양이 많아질 수 록 그 개수가 많아졌으며 그중에서 친수성 아미노산 쌍의 개수가 많아진 것을 확인할 수 있었다.

본 연구를 통해 퇴화과정을 거쳐 물의 양이 아그리칸의 수보다 많아지면 많은 양의 물이 아그리칸이 최소 에너지 구조를 갖는데 영향을 줄 수 있다는 것을 제시하였다.

추후에 아미노산 잔기의 세부적인 변화와 구조적 결합력에 관해서 좀 더 자세히 살펴보는 연구가 필요하겠다. 또한 이와 같은 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 아그리칸과 물의 비율을 보다 세밀하게 여러 단계로 나누어 아그리칸의 구조적 특성을 관찰하여 보다 세분화된 Thompson 등급을 제시할 수 있을 것이라고 판단된다. 이처럼 세분화된 Thompson 등급을 통하여 추간원판의 퇴행을 미리 예측하여 추간원판의 퇴행을 예방, 치료 할 수 있을 것으로 사료 된다.

[영문]The ability of the intervertebral disc(ID) is to resist compression. The ability of the intervertebral disc(ID) is to resist compression and shear. The ability of the ID to resist compression is dependent on the condition of the nucleus pulposus (NP). The normal NP has a higher concentration of aggrecan which

is protein and water than other regions. However, during degeneration of the ID, NP has a less of aggrecan and water than normal NP. Moreover the concentration of aggrecan in water has been shown to change with age.

Density of aggrecan decreases while growing older.

This study assume with degeneration of the ID with bases to the density of aggrecan.

The hypothesis of the present study is that content of the water can affect aggrecan because there is a lot of comparative decrease of the aggrecan regarding decrease of the water while growing older.

The present study was performed for the molecular dynamics (MD) simulation program NAnoscale Molecular Dynamics (NAMD) and the molecular graphics program Visual Molecular Dynamics (VMD).

For the entire RMSD case, 30Å takes 3ns, which is the longest time compare to other cases, in order to stay at their natural steady structure. The smallest value of RMSD is obtained from 30Å case which is about 1.3Å. According to the resulted RMSD value, we could verify the amount of water affects the characteristic of structural behavior of aggrecan.

By observing the secondary structure of aggrecan, the considerable result was obtained from the secondary structure of 30Å. The secondary structure of 30Å is not stabilized by the bonding between hydrogen such as alpha helix or beta pleated sheet but contains random coil structure that occurs when the

hydrogen bonds breaks off. Also, we observed that 20Å has more rotated structure and isolated bridge bond. Therefore, we could refer as water amount increased, either the alpha helix or the beta-pleated sheet tends to break off, or other hydrogen bonds create at some other places. Besides, the interval between residues bonds gets diminished.

By observing the result of hydrogen bonding, once water molecules increases the amount of residues gets to increased as well. The hydrogen bonding increases more among those residues of hydrophilic bonds compared to others.

Therefore, as the more hydrogen bonds structured, we concluded that there are less chance of forming both alpha helix and beta-pleated sheet. So, if the water molecules keep increases, at some point, aggrecan’s structure forms to random coil structure.

In previous experiment, we have seen changes of aggrecan due to the chemical factors. But, since the amount and ratio of water of aggrecan gets to affected by the process of degeneration, this research set the objective to observe the change of aggrecan due to the difference of water amounts. We observed how water amounts affects to the result, and be able to conclude that water amounts changes the structural behavior of aggrecan.

The further experiment with more samples could possibly bring more data to improve its results including researches on change of residues of amino acids and structural bonding as well. Another possible source could be generating more samples of aggrecan with difference in its thickness of water. By using

more samples of grade, we could predict the degeneration of ID to prevent and cure it.

As a result, based on the result from the previous research that degeneration of ID results the more decreasing amount of aggrecan than decreasing in amount of water, we suggest the idea by the molecular dynamic simulation that aggrecan could be affected by the amount of water.