Polimorfizm konformacyjny włókien amyloidu insuliny

Generyczną cechą łańcuchów polipeptydowych jest ich zdolność do samoorganizacji w uporządkowane struktury wyższego rzędu, tak zwane amyloidy, które wyróżnia charakterystyczny wzór dyfrakcyjny typu krzyż-β. Przebieg tego procesu silnie zależy od warunków fizykochemicznych oraz subtelnych zmian w sekwencji aminokwasowej łańcucha głównego, co może prowadzić do polimorfizmu konformacyjnego oznaczającego, że łańcuchy polipeptydowe o tej samej sekwencji aminokwasowej mogą organizować się w struktury o odmiennej architekturze przestrzennej, które determinują właściwości funkcjonalne włókien. Zjawisko to ma istotne implikacje biomedyczne: amyloidy odkładające się in vivo są powiązane z licznymi chorobami neurodegeneracyjnymi, a powstający wariant konformacyjny może wpływać na przebieg i dynamikę procesów patologicznych. Niniejsza praca wykorzystuje insulinę jako modelowe białko amyloidogenne do zbadania relacji między warunkami solwatacyjnymi a właściwościami otrzymywanych in vitro włókien. Zidentyfikowano nowy, indukowany acetonem wariant strukturalny amyloidu insuliny wołowej [BI-ace] o charakterystycznej sygnaturze spektroskopowej. Wykazano, że włókna te skutecznie przekazują swoje cechy strukturalne pokoleniom potomnym podczas zasiewania — także w warunkach heterologicznych — co potwierdza istnienie tzw. efektu pamięci konformacyjnej. Przeprowadzono badania porównawcze względem wariantu powstającego w roztworze wodnym, obejmujące ocenę stabilności chemicznej i termicznej obu polimorfów. Badania stabilności ujawniły zróżnicowaną odpowiedź na czynniki chemiczne i temperaturę. Pokazano, że wygrzewanie suchych fibryli w umiarkowanie wysokiej temperaturze prowadzi do utraty funkcji zasiewania przy zachowaniu głównych cech struktury drugorzędowej. Uzyskane rezultaty wskazują m.in. na zróżnicowaną reaktywność chemiczną i stabilność termiczną wariantów strukturalnych amyloidu tego samego białka, rzucają światło na mechanizmy prowadzące do spektroskopowej manifestacji nowych wariantów strukturalnych, oraz ścieżki ich termicznej degradacji. Uzyskane wyniki poszerzają zrozumienie mechanizmów odpowiedzialnych za powstawanie wariantów strukturalnych amyloidów. Pokazano, że warunki solwatacyjne pozwalają sterować ścieżką agregacji, a subtelne różnice w architekturze rdzenia β przekładają się na odmienne właściwości fibryli.

A generic feature of polypeptide chains is their ability to self-organize into higher-order structures, so-called amyloids, distinct in terms of the characteristic cross-β diffraction pattern. The course of this process is strongly dependent on the physicochemical conditions and subtle changes in the main-chain’s sequence, which may lead to conformational polymorphism, i.e. polypeptide chains sharing the same amino acid sequence can organize into structures with distinct spatial architectures that determine the functional properties of the fibrils. This phenomenon has important biomedical implications: in vivo amyloids deposited are associated with numerous neurodegenerative diseases, and the adopted conformational variant may influence the course and dynamics of pathological processes. This thesis employs insulin as a model amyloidogenic protein to investigate the relationship between solvation conditions and the properties of fibrils formed in vitro. A new structural variant of bovine insulin amyloid, induced by acetone [BI-ace], was identified and shown to possess a characteristic spectroscopic signature. It was demonstrated that these fibrils effectively transmit their structural features to subsequent generations during seeding — including under heterologous conditions — thereby confirming occurrence of the conformational memory effect. Comparative studies were performed with the variant formed in aqueous solution, including an assessment of the chemical and thermal stability of both polymorphs. Stability tests revealed distinct responses to chemical and thermal factors. It was shown that annealing of dry fibrils at moderately elevated temperature leads to a loss of seeding function while preserving the main features of secondary structure. The results presented in this dissertation point to distinct chemical reactivities and thermal stabilities of structural variants of amyloid of a single protein. These findings sched light on the mechanisms through which distinct spectroscopic features of particular amyloid variants emerge, as well as pathways of thermal degradation of amyloid fibrils. The obtained results expand the understanding of the mechanisms responsible for the formation of structural variants of amyloids. They demonstrate that solvation conditions allow for a control of aggregation pathways, and that subtle differences in β-core architecture translate into distinct fibril properties.