Molecular dynamics on monomeric IAPP in solution
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Date
2011-05-31
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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.
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Table of contents
Keywords
IAPP, Molecular dynamics, Percolation transition, Perkolationsübergang, Proline