Mechanism of Tau R2/Wt Morphology Affected by Osmolytes Using Molecular Dynamics Simulations

doi:10.7503/cjcu20220745

Abstract

Abstract:

Molecular dynamics simulation was used to study the effects of urea and Trimetlylamine oxide（TMAO） on the folding and conformation of the second repeat of the intrinsically disordered protein Tau（R2/wt） in the presence of urea and TMAO as osmolytes. The distribution of hydrogen bonds， the mobility of water molecules， and the water structure around the fragment were analyzed and compared with the results in pure water. The results show that the R2/wt fragment without osmolyte can form a stable end-to-end hairpin conformation for a long time， the number of intramolecular hydrogen bonds in the peptide chain is higher， and the water molecules around the R2/wt fragment are more mobile. When urea is used as an osmolyte， the intramolecular salt bridges of R2/wt are difficult to form， leading to a fully unfolded conformation； the hydrogen bonding between water molecules around the peptide chain and between water molecules and the peptide chain is weakened， resulting in an decreased mobility of water molecules around the R2/wt chain， and a decreased proportion of highly structured water molecules. When TMAO is used as an osmolyte， the R2/wt fragment can only form an unstable hairpin structure， which is easy to transition to an expanded state. The distribution of hydrogen bonds and water structure around the peptide chain does not change significantly compared with that in the absence of osmolytes， but the mobility of water molecules around the peptide chain also decreases. In conclusion， the addition of osmolytes can change the morphological distribution pattern of R2/wt fragment， and further change the hydrogen bonding， water structure and mobility around the peptide chain. The results provide guidance for regulating the aggregation behavior of R2/wt fragments.

Key words: Tau protein, Osmolyte, Protein folding, Water structure, Hydrogen bond

CLC Number:

O641

TrendMD:

SU Lili, SHAO Xueguang, CAI Wensheng. Mechanism of Tau R2/Wt Morphology Affected by Osmolytes Using Molecular Dynamics Simulations[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(4): 20220745.

Figures/Tables 8

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Molecular assembly	Atom	Concentration of osmolyte/（mol·L^-1）	Box volume/nm³	Simulation time/μs
R2/wt⁃water	17661	—	5.6×5.6×5.6	5.0
R2/wt⁃water⁃urea	19057	5.0	5.6×5.6×5.6	5.0
R2/wt⁃water⁃TMAO	19133	2.0	5.6×5.6×5.6	5.0

Molecular assembly	Atom	Concentration of osmolyte/（mol·L^-1）	Box volume/nm³	Simulation time/μs
R2/wt⁃water	17661	—	5.6×5.6×5.6	5.0
R2/wt⁃water⁃urea	19057	5.0	5.6×5.6×5.6	5.0
R2/wt⁃water⁃TMAO	19133	2.0	5.6×5.6×5.6	5.0

System	Formation probability（%）
System	K274⁃D283	K280⁃D283	K281⁃D283
R2/wt⁃water	57.93	3.28	4.67
R2/wt⁃water⁃urea	16.64	10.04	12.75
R2/wt⁃water⁃TMAO	5.21	4.21	14.04

System	Formation probability（%）
System	K274⁃D283	K280⁃D283	K281⁃D283
R2/wt⁃water	57.93	3.28	4.67
R2/wt⁃water⁃urea	16.64	10.04	12.75
R2/wt⁃water⁃TMAO	5.21	4.21	14.04

System	Number of hydrogen bonds
System	Water⁃all	Water⁃osmolyte	R2/wt⁃osmolyte
R2/wt⁃water	3981	—	—
R2/wt⁃water⁃urea	5657	2887	14
R2/wt⁃water⁃TMAO	4687	841	2