Molecular dynamics on monomeric IAPP in solution

Abstract

Mittels MD-Simulation wurden Konformationseigenschaften des ungekürzten Insel-Amyloid-Polypeptids 1–37 (humanes amyloidogenes hIAPP und nicht amyloidogenes rIAPP der Ratte) bei physiologischen Temperaturen untersucht, beide sowohl mit Cystein- (reduziertes IAPP) als auch mit Cystinresten (oxidiertes IAPP). Bei der Durchführung von Messungen bei Temperaturen von 250K bis 450K in Intervallen von 20K zeigte sich, dass der Perkolationsübergang des Wassers zwischen 310K und 330K stattfindet. Somit wurden diese Temperaturen ausgewählt, um die Konformationseigenschaften des IAPP bei seiner höchsten biologischen Aktivität zu studieren. Tatsächlich zeigen die meisten lebenden Organismen ihre höchste biologische Aktivität in einem Temperaturbereich, der dem eines Perkolationsübergangs entspricht. Für hIAPP ergab die Berechnung einen Wert von ˜320 K. DieserWert scheint unabhängig von der chemischen Zusammensetzung der IAPP-Variante zu sein. Bei allen untersuchten Temperaturen nimmt IAPP keine definierte Konformation ein, sondern liegt in Lösung im Wesentlichen als zufälliges Knäuel vor, obwohl sich vor allem in der reduzierten Form kurzlebige Helices zwischen den Aminosäureresten 8 und 12 zu bilden scheinen. Oberhalb des Perkolationsübergangs von Wasser zeigt das reduzierte und immer noch strukturlose hIAPP einen deutlich verminderten helikalen Anteil. Währenddessen erreicht der natürliche Cystinrest einen recht kompakten Zustand mit einem, gegen¨ber den Messergebnissen der anderen Varianten, um nahezu 10% verminderten Trägheitsradius. Dies wird durch die intrapeptidischen Wasserstoffbrückenbindungen, welche viele ß-Brücken in der Region des C-Terminus bilden, hevorgerufen. Die kompakte Konformation weist einen geringen Abstand beider Termini auf und scheint sich durch die Ausbildung von ß-Faltblattkonformationen in der C-terminalen Gegend mit einer Minimierung der Y/F-Abstände in einem zweischrittigen Mechanismus zu bilden. Der erste Schritt findet bei einem Y37/F23 Abstand von ˜1:1 nm statt, woraufhin Y37/F15 ihre minimale Distanz von ˜0:86 nm erreichen. Das nicht aggregierende rIAPP zeigt ebenfalls kurzlebige helikale Konformationen. Eine besonders stabile Helix befindet sich in der Nähe der C-terminalen Region, beginnend mit den Aminosäureresten L27 und P28. Diese MD-Simulationen zeigen, dass P28 in rIAPP die Sekundärstruktur von IAPP durch die Stabilisierung des Peptids in helikalen Konformationen beeinflusst. Wenn diese Helix nicht vorhanden ist, zeigt das Peptid Krümmungen oder Hverbrückte Schleifen bei P28, die die Bildung von ß-Brücken, wie sie in hIAPP gefunden wurden, unterdrücken. Im Gegensatz dazu ist hIAPP in der C-terminalen Region deutlich ungeordneter und zeigt, besonders bei höheren Temperaturen und wenn die natürliche Disulfidbrücke vorhanden ist, kurzlebige isolierte ß-Strand-Konformationen. Derartige konformationelle Unterschiede, wie sie in diesen Simulationen gefunden wurden, könnten für die unterschiedlichen Aggregationsneigungen der beiden Homologe verantwortlich sein. Tatsächlich ist bekannt, dass der bei beiden Homologen identische Abschnitt 30–37 in vitro aggregiert, daher muss die gesamte Sequenz für die Amyloidogenität des hIAPP ursächlich sein. Es erscheint plausibel, dass der durch den Ersatz von Serin durch Prolin an Aminosäurerest 28 hervorgerufene höhere Anteil helikaler Konformationen im rIAPP dessen Aggregation inhibiert. Die spezifische Position des P28 könnte hierbei wichtiger für die Inhibierung sein als die intrinsischen Eigenschaften des Prolins allein. Tatsächlich wurde im IAPP

von Katzen, die einen Diabetes Mellitus Typ II entwickelt haben und Insel-Amyloid-Ablagerungen zeigen, ein Prolinrest an Position 29 gefunden. Weiterhin ist für den oben genannten kompakten Zustand des monomeren, oxidierten hIAPP charakteristisch, dass eine besonders reaktive Konformation, die während der Faltung gefunden wurde, durch Disulfidbrücken stabilisiert ist. Eine solche Konformation besitzt einen geringen Abstand beider Termini, was dazu führt, dass die amyloidogene Sequenz N22FGAIL27 gegenüber benachbarten Peptiden exponiert ist. Im reduzierten hIAPP-Rest scheint sich dieser Zustand nicht für einen signifikanten Zeitraum zu bilden, was durch die fluktuierende Distanz der Endgruppen nachgewiesen wurde. Der mittlere Abstand zwischen den Termini ist kleiner als der aus dem Irrflugmodell bestimmte Wert. Dies zeigt die hohe Flexibilität des hIAPP und dass Interaktionen, die das Peptid in eine kompakte Form überführen, vorhanden sind. Im Gegensatz dazu scheinen beide Formen des rIAPP auf Grund der dem Prolin eigenen Starrheit zu unflexibel zu sein, um sich so zu falten, dass ein geringer Abstand zwischen den Termini, wie bei der oxidierten Form des hIAPP, zustande kommt. Allerdings sind auch Fälle beobachtet wurden, in denen oxidiertes rIAPP kurze Termini-Abstände erreicht. Dies stimmt mit der Abwesenheit von Helices in der P28-Region überein. Diese Konformationen treten möglicherweise dank der bei hIAPP beobachteten Interaktionen zwischen Disulfidbrücken und C-Terminus auf. Kurze Abstände zwischen Y37 und L23 werden im selben Zeitrahmen wie die geringen Abstände zwischen Y37 und F23 in hIAPP beobachtet. Allerdings ist es durch die Tatsache, dass Leucin nicht aromatisch ist, möglich, dass der erste Schritt des beim hIAPP beobachteten Faltungsprozesses im Wildtyp des rIAPP nicht stattfinden kann. Auf den gefalteten Zustand, der durch Simulation des oxidierten hIAPP bei 330K erhalten wurde, wurden in silico Mutationen eingebaut, um zu beobachten, welchen Einfluss Prolin auf die Konformation ausübt. Insbesondere der S28P-Austausch scheit die Bildung einer Helix in dieser Region zu induzieren und die besonders stabile, kompakte Struktur durch Trennung der Termini zu zerstören: Tatsächlich bleibt der Wildtyp des oxidierten Homologen kompakt bis zu einer Temperatur von 390 K. Somit scheinen, in Anbetracht der Ergebnisse dieser Arbeit, drei Charakteristika notwendig zu sein, damit die monomere Form des Polypeptids in einen kollabierten Zustand übergeht: 1. Anwesenheit einer Disulfidbrücke, die, wie beobachtet, flexibler als die reduzierte Entsprechung ist und den kurzen Abstand zwischen den Termini in IAPP stabilisiert. 2. Abwesenheit helikaler Anteile in der C-terminalen Region, um dieser Flexibilität für die Faltung des Peptids zu verleihen. P28 scheint den hochbeweglichen und unstrukturierten Abschnitt von IAPP zu stabilisieren. Ferner scheint derartige Helikalität kurze Abstände der Termini zu unterdrücken. 3. Anwesenheit aromatischer Reste, im Besonderen F23, welches einen der ersten Schritte im Faltungsprozess zu stabilisieren scheint. Da diese Ergebnisse zur monomeren Form erhalten wurden, sind weitere Studien notwendig, um zu bestimmen, ob diese drei strukturellen Charakteristika auch für die Aggregationsneigungen des IAPP relevant sind.