Kinetyka i mechanism procesu agregacji peptydów w symulacjach dynamiki molekularnej
Loading...
Date
2021
Authors
Advisor
Editor
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Title alternative
Kinetics and mechanisms of peptide aggregation from molecular dynamics simulations
Abstract
Zjawisko agregacji białek i peptydów cieszy się
dużym zainteresowaniem naukowców ze względu
na swoje biologiczne znaczenie, jak również
potencjalne zastosowanie w technologii. Mimo
licznych wysiłków, mechanizm molekularny tego
procesu nie został dotychczas całkowicie
wyjaśniony. Szczególnie trudne dla badań
eksperymentalnych jest prowadzenie obserwacji
początkowych etapów agregacji. W tym miejscu
z pomocą przychodzą symulacje dynamiki
molekularnej, które umożliwiają przyglądanie się
procesom biologicznym na poziomie pojedynczych
cząsteczek.
W przeciwieństwie do często podejmowanych
badań równowagowych, niniejsza praca
koncentruje się dodatkowo na kinetyce
i mechanizmie formowania początkowych
oligomerów, które podejrzewane są o większą
nawet toksyczność niż dojrzałe agregaty.
Podobieństwa i różnice procesu agregacji zbadane
zostały w zależności od sekwencji aminokwasowej
i właściwości łańcucha peptydowego. Wyniki dały
wgląd w molekularne przyczyny obserwowanego
polimorfizmu fibryli jak i różnice w przebiegu
samego procesu.
W niniejszej pracy zastosowane zostały modele
gruboziarniste, aby zredukować koszt obliczeniowy
i dzięki temu zwiększyć rozmiar badanych
systemów w stosunku do ujęcia atomistycznego.
Pierwszym użytym modelem jest rozwijany
w naszej grupie badawczej Model Minimalny, który
przedstawia peptydy z dokładnością jednego
super-atomu na aminokwas, co odpowiada
reprezentacji łańcucha głównego z pominięciem
łańcuchów bocznych. Takie podejście umożliwia
prześledzenie wpływu jaki na agregację wywierają
ogólne właściwości peptydów, tzn. takie, które
wynikają ze specyfiki łańcucha głównego. Model
ten pozwolił na odtworzenie strukturalnej oraz
kinetycznej różnorodności obserwowanej
w eksperymencie jako funkcji dwóch parametrów,
sztywności łańcucha oraz siły oddziaływań
niewiążących. Ponadto, model ten ujawnił
występowanie chiralnych fluktuacji dla oligomerów.
Pomimo braku wewnętrznej chiralności, peptydy
skręcają się spontanicznie w tym samym kierunku,
przy czym wypadkowa chiralność całego agregatu
oscyluje pomiędzy prawo- i lewo-skrętnością
w trakcie symulacji. Czas życia stanów chiralnych,
oraz amplituda skrętu, zależą od masy klastru.
Fluktuacje te rzucają nowe światło na pochodzenie
polimorfizmu dojrzałych fibryli, obserwowanego
zarówno in vitro, jak i in vivo.
W drugiej części pracy wykorzystany został
model opracowany przez Bereau i Deserno (BD).
Obecność dodatkowych super-atomów
reprezentujących łańcuchy boczne umożliwia
zbadanie wpływu structury I-szo rzędowej na
proces samoorganizacji peptydów. W tej części
skupiono się na dwóch heptapetydach: krótkim
fragmencie białka prionowego drożdży o sekwencji
GNNQQNY, oraz jego jednopunktowej mutacji,
GNNQQNA. Obie cząsteczki agregują według dwu etapowego mechanizmu z utworzeniem
fibrylarnych agregatów. Pomimo ogólnych
podobieństw, szybkość agregacji maleje, gdy
reszta tyrozynowa zastąpiona zostaje przez
alaninę. Ponadto, jedno-aminokwasowa mutacja
powoduje zmianę w strukturze zarówno
początkowych oligomerów jak i finalnych
agregatów.
Wyniki prezentowane w rozprawie wskazują,
iż kinetyka procesu i morfologia agregatów zależą
od właściwości łańcucha głównego jak i łańcuchów
bocznych. Zmiany w strukturze i kinetyce,
wywołane modyfikacjami cząsteczek peptydów, nie
zachodzą jednocześnie, różnica w strukturze
niekoniecznie wiąże się z innym zachowaniem
kinetycznym. Niemniej jednak, heterogeniczność
finalnych aggregatów znajduje odzwierciedlenie
w morfologii początkowych oligomerów, co
wskazuje na duże znaczenie wczesnych etapów
agregacji dla obserwowanego polimorfizmu
amyloidów.
Protein and peptide aggregation has been intensely studied due to its biological importance as well as potential technological applications. Despite much effort, the molecular mechanism of aggregation is still not completely understood. In particular, the initial aggregation steps are difficult to investigate experimentally. To fill this gap, the molecular dynamics simulations have been employed as a method which can give insight into the molecular details of biologically relevant aggregation. This thesis focuses on the equilibrium properties of mature aggregates and on the kinetics and molecular mechanism of transient oligomers formation. Those transient oligomers are potentially more toxic than the mature aggregates. In this thesis the peptide aggregation is studied as a function of the peptide sequence and the chain properties. Our results give information about the molecular origin of aggregation diversity and fibril polymorphism. Due to the computational cost of all-atom simulations, coarse-grained models have been applied allowing for larger systems sizes. We used two coarse-grained models. The first model, developed in our research group, treats each amino acid residue as one super-atom. Such approach allows for investigating how the generic peptide properties connected with the peptide backbone influence aggregation. This model reproduces the diversity of aggregates structures and kinetics observed in experiments as functions of just two parameters, the chain stiffness and the strength of non-bonded interactions. Moreover, this simple model reveals a new feature, the chiral fluctuations of small oligomers. Despite the lack of intrinsic chirality of individual peptide chains, oligomers undergo spontaneous collective twists. The overall handedness of aggregates fluctuates between left and right. The life-times of the twisted states and their amplitudes depend on the cluster mass. The fluctuations, found by our model, shed light on the origin of the chiral polymorphism observed in mature fibrils. In the second part of this thesis, the coarse grained Bereau and Deserno (BD) model is used. The presence of the side chains allows for investigating the sequence-dependence of peptide self-assembly. This part focuses on two heptapeptides: a short fragment from yeast prion protein, GNNQQNY, and its point mutation, GNNQQNA. Both peptides aggregate via the two step mechanism leading to fibril-like structures. The simulations show that the aggregation slows down when the tyrosine residue is replaced by alanine. Moreover, this sequence mutation causes differences in the morphology of the final aggregates and the intermediate oligomers. Our research indicates that the aggregation kinetics and the aggregate morphology depend on the properties of the backbone as modulated by the side chains. Notably, our simulations show that the structural diversity of final aggregates may not be reflected by the diversity of monomer and cluster kinetics. Nevertheless, the internal organization of the initial oligomers parallels the structures of the mature aggregates, which implies the relevance of early aggregation steps.
Protein and peptide aggregation has been intensely studied due to its biological importance as well as potential technological applications. Despite much effort, the molecular mechanism of aggregation is still not completely understood. In particular, the initial aggregation steps are difficult to investigate experimentally. To fill this gap, the molecular dynamics simulations have been employed as a method which can give insight into the molecular details of biologically relevant aggregation. This thesis focuses on the equilibrium properties of mature aggregates and on the kinetics and molecular mechanism of transient oligomers formation. Those transient oligomers are potentially more toxic than the mature aggregates. In this thesis the peptide aggregation is studied as a function of the peptide sequence and the chain properties. Our results give information about the molecular origin of aggregation diversity and fibril polymorphism. Due to the computational cost of all-atom simulations, coarse-grained models have been applied allowing for larger systems sizes. We used two coarse-grained models. The first model, developed in our research group, treats each amino acid residue as one super-atom. Such approach allows for investigating how the generic peptide properties connected with the peptide backbone influence aggregation. This model reproduces the diversity of aggregates structures and kinetics observed in experiments as functions of just two parameters, the chain stiffness and the strength of non-bonded interactions. Moreover, this simple model reveals a new feature, the chiral fluctuations of small oligomers. Despite the lack of intrinsic chirality of individual peptide chains, oligomers undergo spontaneous collective twists. The overall handedness of aggregates fluctuates between left and right. The life-times of the twisted states and their amplitudes depend on the cluster mass. The fluctuations, found by our model, shed light on the origin of the chiral polymorphism observed in mature fibrils. In the second part of this thesis, the coarse grained Bereau and Deserno (BD) model is used. The presence of the side chains allows for investigating the sequence-dependence of peptide self-assembly. This part focuses on two heptapeptides: a short fragment from yeast prion protein, GNNQQNY, and its point mutation, GNNQQNA. Both peptides aggregate via the two step mechanism leading to fibril-like structures. The simulations show that the aggregation slows down when the tyrosine residue is replaced by alanine. Moreover, this sequence mutation causes differences in the morphology of the final aggregates and the intermediate oligomers. Our research indicates that the aggregation kinetics and the aggregate morphology depend on the properties of the backbone as modulated by the side chains. Notably, our simulations show that the structural diversity of final aggregates may not be reflected by the diversity of monomer and cluster kinetics. Nevertheless, the internal organization of the initial oligomers parallels the structures of the mature aggregates, which implies the relevance of early aggregation steps.
Description
Wydział Chemii
Sponsor
Keywords
agregacja peptydów, peptide aggregation, dynamika molekularna, molecular dynamics, modele uproszczone, coarse grained mode