Dynamics of pathological aggregates and fibers
Dynamique des agrégats et fibres pathologiques
Résumé
Neurodegenerative diseases, such as Parkinson's and Alzheimer's, constitute a growingthreat with ever increasing prevalence. These diseases are characterized by the presence ofprotein deposits in the patient's brain that are called amyloids. Several proteins wereidentified in these deposits as being the molecular hallmark of the disorder, among whichwe can cite alpha-synuclein for Parkinson’s disease and tau for Alzheimers’s disease.Protein amyloid aggregation is central to neurodegenerative diseases and hence constitutesa target of choice for diagnostic and therapeutic attempts. Itis characterized by the formation of a structural cross-beta pattern, which is a stack ofbeta-sheets, usually forming long fibrils. Under specific conditions, larger aggregates can beobtained, such as micrometer-sized particles, including so-called particulates andspherulites. Several pieces of evidence suggest that the formation of such aggregates, and especially at early-stages, can be involved in protein toxicity. Yet, the reasons for theaggregation to occur are not well understood. In this work, we aimed at deciphering thefundamental principles underlying protein amyloid aggregation by studying the changesin protein ad hydration water dynamics, the understanding of which might help in the development ofwater-dynamics based diagnostic methods.We employed mainly incoherent neutron scattering (on SPHERES at the MLZ and IN16B at the ILL)and molecular dynamics simulations. Theformer provides ensemble averaged information on hydrogen motions in the system, and thelatter provides a fully atomistic picture from which dynamical and structural aspects canbe investigated.Studying alpha-synuclein, we could show that protein backbone and side-chain motions - that is,internal dynamics - is barely affected by aggregation. However, hydration water motions areincreased around amyloid fibrils. The increased dynamics originates from a fraction ofwater molecules being displaced from the protein hydrophobic core to the hydrophilictermini regions when fibrils are formed. Hence, it results in a higher water entropy in fibrils,where the central cross-beta pattern appears highly efficient in protecting itself frominteracting with the solvent.For gammaS-crystallin, comparison of the internal protein dynamics of the wild-type proteinwith a G18V mutant revealed that the mutant is less dynamic, whatever itsaggregation state. This observation, along with the comparison of protein dynamics withtheir relative hydropathy index, indicates that the internal dynamics depends strongly onthe amino acid composition, but not on the aggregation state. In addition, other factorscan affect protein dynamics, such as the presence of metal ions.The measurements carriedout on insulin, in the presence or absence of zinc show that the metal promotes proteinhydration at pH 1.8, where it interacts loosely with the protein. The zincaffects also aggregate-aggregate interaction, probably by electrostatic screening as theformation of spherulites is facilitated in the absence of the metal.Eventually, the possibility to unambiguously and simultaneously access internal dynamicsand center-of-mass diffusion was demonstrated by carrying out so-called fixed- window scanson the IN16B instrument at the ILL. This novel technique applied to lysozyme showed thatparticulate formation occurs in a one-step process, and the internal dynamics remainsconstant all along. This pilot experiment opens up the possibility to study fibrilformation of pathologically relevant proteins.Taken together, the aforementioned results demonstrate that we can now study the amyloidaggregation process with great detail, and there is a great opportunity to extend this workwithin a biological context, in order to link the biophysical properties of protein amyloidaggregation with its effects and toxicity in-vivo
Les maladies neurodégénératives, comme Parkinson ou Alzheimer, sont une menace croissante,avec une prévalence augmentant sans cesse. Ces maladies sont caractérisées par la présence de dépôts protéiques, appellés amyloïdes, dans le cerveau. Plusieurs protéines ont été identifiées dans ces dépôts comme étant des marqueurs de la maladie, dont l'alpha-synucléine pour Parkinson et tau pour Alzheimer. L'agrégation amyloïde est centrale dans les maladies neurodégénératives et constitue ainsi un cible privilégiée pour le diagnostic ou les essais cliniques.L'agrégation amyloïde est caractérisée par la formation d'un motif cross-β, qui consiste en un empilement de brins beta;, pouvant former ainsi de longues fibres. Dans certaines conditions,des particules de taille micrométrique peuvent être obtenus, tels que les 'particulates' ou les 'sphérulites'. Plusieurs études montrent que la formation des agrégats, en particulier au stade précoce,est impliquée dans la toxicité. En revanche, les raisons de l'agrégation des protéines ne sont pas bien comprises. Dans ce travail, nous avons cherché à comprendre les principes fondamentaux impliqués dans l'agrégation amyloïde, en étudiant les changements de dynamique du système protéine-solvent, ce qui de plus, pourrait aider le développement de nouvelles méthodes de diagnostic.Dans ce but, j'ai utilisé principalement la diffusion incohérente des neutrons et les simulations de dynamique moléculaire. La première fournit une dynamique moyennée sur l'ensemble des atomes d'hydrogène dans le système et la seconde fournit une vision atomique dans laquelle structure et dynamique peuvent être étudiées.En étudiant l'alpha-synucléine, j'ai montré que les mouvements des chaines latérales et principales - dynamique interne - sont inchangés par l'agrégation. Cependant, les mouvements de l'eau sont accélérés autour des fibres, ce qui provient d'une fraction de l'eau étant déplacée du coeur hydrophobe vers les régions terminales hydrophiles lors de la formation des fibres.Ainsi, l'entropie de l'eau est augmentée dans les fibres, ou le motif cross-beta; central semble être très efficace pour se protéger lui-même de l'intéraction avec le solvent. La comparaison de la gammaS-crystalline sauvage avec le mutant G18V montre que le mutant est moins dynamique, quel que soit l'état d'agrégation. Cette observation, et la comparaison de la dynamique interne avec l'hydrophobicité des protéines, montre que la dynamique interne dépend fortement de la composition en acides aminés et non pas de l'état d'agrégation. En outre,les ions métalliques peuvent aussi influencer la dynamique interne.Les mesures sur l'insuline, en présence ou absence de zinc montre que le métal aide à l'hydratation de la protéine, même à pH 1.8, où il interagit faiblement avec la protéine. Le zinc affecte aussi les interactions entre agrégats, probablement par écrantage électrostatique, étant donné que la formation de sphérulites est facilitée en son absence.Enfin, la possibilité de suivre en simultané, et sans ambiguïté, la dynamique interne et la diffusion du centre de masse a été démontrée en utilisant des scans à fenêtre d'énergie fixe sur l'instrument IN16B à l'ILL. Cette nouvelle méthode, appliquée au lysozyme, montre que la formation des 'particulates' se déroule en une étape, avec la dynamique interne restant constante tout au long du processus. Cette expérience pilote ouvre la voie à des études de fibrillation de protéines ayant un intérêt médical.Ensemble, ces résultats démontrent que l'on peut étudier le processus d'agrégation amyloïde avec beaucoup de détails, et il y a une grande opportunité d'étendre ce travail dans un contexte biologique afin de faire le lien entre les paramètres biophysiques de l'agrégation amyloïde et ses effets et sa toxicité in-vivo
Origine : Version validée par le jury (STAR)