朊病毒病（Prion diseases）是一种在人和动物中均能发生的传染性疾病,主要是由朊蛋白（prion protein,PrP）在体内发生错误折叠和聚集而引起的。研究表明,细胞型PrP^C向致病型PrP^Sc的构象转变与朊蛋白的细胞毒性密切相关,且产生的致病型PrP^Sc具有感染性和抗蛋白酶解性,因而这一构象转变过程被认为是朊病毒病发病的关键。研究细胞型PrP^C与致病型PrP^Sc之间的构象转变机理对我们深入理解朊病毒病的发病机制以及寻找有效的朊病毒病治疗药物具有非常重要的意义。在细胞型PrP^C与致病型PrP^Sc之间的构象转变研究中,由于PrP^C→PrP^Sc发生构象转变的过程非常迅速,常规实验方法很难捕捉这一过程中朊蛋白结构变化的详细信息。相比之下,分子动力学模拟（molecular dynamics simulation,MD）作为一种补充方法,可非常便捷地提供蛋白质在原子水平上的结构变化信息,因而已被广泛应用于朊蛋白错误折叠和聚集机制的研究中。本论文中,我们结合分子动力学模拟及多种分析方法研究了朊蛋白错误折叠过程中的构象变化以及抑制剂调控其构象转变过程的分子机制,主要包括以下四个方面的工作:首先,我们研究了朊蛋白G127V保护性突变阻止朊病毒病发生的分子机制。研究表明G127V突变的转基因鼠可完全抵抗库鲁病（Kuru）和克雅氏病（Creutzfeldt-Jakob disease,CJD）的传播,具有抗病性。因此,研究朊蛋白G127V变体阻止朊病毒病传播的分子机制对抗击朊病毒病具有非常重要的理论和实际应用价值。基于以上原因在论文第二章,我们基于分子动力学模拟方法通过研究127位残基的多态性对朊蛋白聚集中的两个关键过程（二聚和低聚过程）的影响,进而从分子水平阐明朊蛋白G127V变体的保护机制。通过研究G127V不同形态,包括纯合态和杂合态对朊蛋白二聚过程的影响,我们发现相比G127,V127变体能够降低二聚体系中单体的β-sheet结构的含量,并且在朊蛋白单体的β1界面处不易发生氢键相互作用。由此我们推断,V127变体可通过阻碍单体界面的主链氢键的形成,进而破坏朊蛋白二聚体的形成。基于对二聚过程的研究,我们进一步研究了V127变体对β1链低聚体的影响来探究该保护性突变对低聚过程的影响。结果表明,G127V突变很大程度上降低了低聚体的有序度,破坏了低聚体的稳定性,主要表现在两个方面:a.降低了低聚体的层间相互作用,特别是层间堆积的范德华相互作用;b.削弱了层内氢键相互作用。我们的研究对指导设计能够模拟V127变体保护性的小分子或者多肽药物具有重要价值。其次,我们以朊蛋白关键片段PrP127-147为朊蛋白的简化模型,结合分子动力学模拟和马尔科夫模型（Markov state model,MSM）分析方法,从分子水平上来研究朊蛋白关键片段的折叠机制。PrP127-147是格鲁特斯综合征发生错误折叠的关键片段,具有与全长朊蛋白相似的性质,表现出明显的成纤维性和神经毒性。因此,可作为朊蛋白的模型肽来研究其折叠和聚集的机理。我们的研究结果表明,PrP127-147单体主要以无序的coil和turn结构存在。另外,通过MSM分析,我们确定了一个在PrP127-147 N-端和近C-端形成伸展β-sheet结构的关键状态,这一状态曾被报道为淀粉样相关蛋白发生淀粉样聚集非常重要的状态。对该状态进行进一步的结构分析发现,这种伸展β-sheet折叠结构形成的驱动力主要包括:a.肽段内疏水残基的疏水作用;b.关键残基相互作用,包括Arg136-His140（cation-π和侧链氢键）和Pro137-His140（形成骨架氢键,并形成β-turn结构）。从无序的未折叠状态出发可通过多条路径形成该伸展状态的β-sheet,但是过程非常缓慢（毫秒级别）。该工作可以帮助我们更深入地理解朊蛋白的错误折叠和聚集机理。随后,在本论文的第四章,我们进一步研究了酸性条件下朊蛋白PrP90-231构象转变的分子机制。实验结果表明酸性条件可促进朊蛋白发生错误折叠,加速PrP^C的构象转变,而在酸性条件下发生构象转变的分子机制仍然不清楚。在本章中,我们应用加速分子动力学模拟（accelerated molecular dynamics,AMD）对酸性条件下PrP90-231进行了微秒级别的分子动力学模拟并结合MSM分析来研究酸性条件下朊蛋白发生错误折叠的分子机制。我们的结果表明酸性条件能够促进朊蛋白发生部分解折叠,尤其是朊蛋白螺旋结构α2的C-端。通过对MSM得到的关键中间体状态进行结构表征,我们确定了α2 C-端和β2-α2的loop区是朊蛋白发生错误折叠可能的反应位点。并且基于TICA（time-structure independent componemts analysis）构象空间分布及状态的准静态概率,我们推测部分解折叠的结构是朊蛋白发生错误折叠过程中的主要状态。动态网络路径分析表明酸性条件下,H187的质子化降低了α2 C-端,α1-β2 loop区,以及α2-α3 loop区的相互作用,导致这些区域尤其是α2 C-端变得不稳定,发生错误折叠,并可形成典型的β-sheet结构。因此,α2 C-端在朊蛋白早期错误折叠过程中扮演着非常重要的作用,可作为治疗朊病毒病潜在的药物靶点。最后,我们基于分子动力学模拟研究了antiprion小分子特异性稳定朊蛋白PrP^C的分子机制。目前,在多种antiprion抑制剂的研发策略中,特异性稳定细胞型PrP^C的构象被公认为是相对安全可行的方法。因此,研究antiprion小分子与PrP^C特异性结合的分子机制对设计研发新的有效的治疗朊病毒病的药物具有非常重要的指导意义。基于此,在论文的第五章,我们通过分子动力学模拟的方法研究了几个已经报道的能够特异性结合在PrP^C“hot spot”区的antiprion小分子抑制剂特异性稳定朊蛋白的机理。我们的研究结果表明,特异性结合的小分子稳定PrP^C构象的机理可以分为三类:（1）既稳定朊蛋白柔性α2 C-端,又稳定疏水核心;（2）特异性稳定朊蛋白疏水核心;（3）与PrP^C“Hot spot”区具有非常高的亲和力,从而稳定PrP^C。通过进一步分析小分子与PrP^C之间的结合模式发现,残基N159,Q160在与antiprion小分子特异性结合中有非常重要的作用。另外,本工作中所研究的antiprion小分子尽管存在结构上的差异,但它们与PrP^C特异性结合的区域基本一致,包括β1链上的L130,α1-β2 loop区的P158,N159,Q160,以及α2 C末端的H187,T190,T191等。我们的结果揭示了部分antiprion小分子特异性结合在PrP^C“Hot spot”区并稳定PrP^C构象的机理,对以后开发有效的朊病毒病治疗药物具有重要的指导价值。