Dokument: Computer Simulations of Amyloid Aggregation Considering in vivo Conditions

Titel:	Computer Simulations of Amyloid Aggregation Considering in vivo Conditions
Weiterer Titel:	Computer simulationen der Amyloid aggregation unter Berücksichtigung von In-vivo-Bedingungen
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=60033
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20220705-111246-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dr. Fatafta, Hebah [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 30,31 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 28.06.2022 / geändert 28.06.2022
Beitragende:	Jun.-Prof. Strodel, Birgit [Gutachter] Prof. Dr. Heise, Henrike [Gutachter]
Stichwörter:	Compuational Biochemistry, Computational Biophysics
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Amyloid-assoziierte Krankheiten, wie Alzheimer und Typ-2-Diabetes, sind vorrangig durch die abnorme Aggregation von Amyloidpeptiden zu fibrillären Aggregaten gekennzeichnet. Es gibt zahlreiche Belege dafür, dass Amyloid-Oligomere toxischer sind vollentwickelte Fibrillen. Aus diesem Grund konzentrieren sich viele Studien auf den Zusammenhang zwischen Oligomeren und der Krankheit, aber die meisten von ihnen werden in vitro durchgeführt, ohne die in vivo-Umgebung zu berücksichtigen. Die Amyloid-Aggregation ist jedoch ein komplexer Prozess, der empfindlich auf äußere Bedingungen reagiert. Daher ist es von großer Bedeutung, diese Untersuchungen so auszuweiten, dass sie die realen Umweltbedingungen nachahmen, bei denen die Amyloidbildung durch andere biomolekulare Wechselwirkungen beeinflusst wird. Das Ziel dieser Arbeit ist es, das Verhalten des Amyloid-beta (Aβ)-Peptids und des menschlichen Insel-Amyloid-Polypeptids (hIAPP), die mit der Entwicklung von Alzheimer bzw. Typ-2-Diabetes verbunden sind, in einem System zu untersuchen, das einige Aspekte der Umgebungsbedingungen des Gehirns oder der β­Zellen der Bauchspeicheldrüse widerspiegelt. Zu diesem Zweck habe ich All­Atom Molekulardynamiksimulationen (MD) angewendet, um mehrere Studien durchzuführen, die sich auf (i) das Zusammenspiel zwischen Aβ42-Dimeren und der neuronalen Membran, (ii) die Wirkung von freien Lipiden als mögliche Interaktionspartner von Aβ42 auf dessen Peptidstruktur in der wässrigen Phase und die Interaktion von Aβ42 mit einer Lipidmembran, (iii) die Wirkung der oxidierten Glycine Gly25, Gly29 und Gly33 von Aβ42 auf dessen Konformation und auf die Wechselwirkung mit einer Lipidmembran, (iv) die Wirkung von makromolekularem Crowding-Effekten auf die Aβ16-22-Aggregation, (v) die Wirkung der Mutation von Histidin an Position 18 in hIAPP zu Arginin, Lysin, Glutaminsäure und Alanin auf seine Konformation und Interaktion mit einer Modellmembran. Alle diese Studien wurden mit atomarer Auflösung durchgeführt, um die Konformationsübergänge von Aβ und hIAPP adäquat darzustellen. All-atom-MD-Simulationen haben sich als ein leistungsfähiges Werkzeug erwiesen um biologische Fragen aus verschiedenen Disziplinen zu beantworten, und sind weithin als "Computermikroskop" bekannt, das atomistische Details in den untersuchten Systemen liefert. Die Ergebnisse dieser Simulationsstudien führen zu den folgenden Schlussfolgerungen (i) Die Dimerisierung in Lösung ist durch einen Übergang von einer Random-Coil-Struktur zu einem β‑Faltblatt gekennzeichnet, was der Beginn des Wegs zur Amyloidaggregation zu sein scheint, während die Wechselwirkungen mit der neuronalen Membran die Neigung des Peptids zur Bildung einer β-Faltblattstruktur abschwächt. (ii) Das Aβ42 Peptid durchläuft im 1:3-Komplex einen Übergang von ungeordneter zu geordneter Struktur, bleibt aber im 1:1-Komplex weitgehend ungeordnet. Doch trotz der Komplexbildung mit Lipiden konnte das Peptid nicht in die Membran eindringen. (iii) Das an Gly25 oxidierte Aβ42-Peptid ist potenziell genauso toxisch wie das Wildtyp-Peptid, wenn man annimmt, dass die β-Faltblattbildung in Aβ mit seiner Toxizität zusammenhängt. (iv) Makromolekulares Crowding verstärkt die Bildung von Dimeren und Hexameren mit β-Sheets von Aβ16-22. (v) Bei allen IAPP-Varianten außer H18E-IAPP nahm das membrangebundene IAPP eine amphipathisch-helicale Struktur an, die sich auf dem Weg zur IAPP-Amyloid-Aggregation befand. IAPP mit einer Glutaminsäure an Position 18 verweilte in einer stabilen helikalen Konformation. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Simulationsstudien dieser Arbeit nützlich waren, um die kombinierte Wirkung verschiedener in-vivo-Bedingungen auf Aβ und hIAPP aufzudecken, was voraussichtlich auch relevant für andere Amyloidproteine ist. Amyloid associated diseases, such as Alzheimer’s disease and type 2 diabetes are markedly characterized by the abnormal aggregation of amyloid peptides into fibrillar aggregates. A large body of evidence supports the view that amyloid oligomers are more toxic than mature fibrils. Therefore, many studies focus on the linkage of these oligomers and the disease, but most of them are performed in the test tube without taking into account the in vivo environment. However, amyloid aggregation is a complex process that is sensitive to external conditions. Thus, it is of great relevance to extend these investigations to mimic the real environment conditions, where the amyloid formation is affected by other biomolecular interactions. The aim of this thesis work is to investigate the behavior of the amyloid-beta (Aβ) peptide and human islet amyloid polypeptide (hIAPP), that are linked to the development of Alzheimer’s disease and type 2 diabetes, respectively, in an environment that mimic some aspects of the brain or the pancreatic β-cell conditions. To this end, I employed all-atom molecular dynamics (MD) simulations to perform multiple studies that focused on (i) the interplay between Aβ42 dimers and the neuronal membrane, (ii) the effect of free lipids in the aqueous phase as a possible interaction partner of Aβ42 on the peptide structure and its interaction with a lipid membrane, (iii) the effect of oxidized glycine residues, Gly25, Gly29, and Gly33, of Aβ42 on its conformation and interaction with a lipid membrane, (iv) the effect of macromolecular crowding on Aβ 16−22 aggregation, (v) the effect of mutating histidine at position 18 in hIAPP to arginine, lysine, glutamic acid, and alanine on its conformation and interaction with a model membrane. All these studies were realized at atomic resolution to appropriately address the conformational transitions of Aβ and hIAPP. All-atom MD simulation have emerged as a powerful tool to address biological questions from different disciplines, and are widely known as “computational microscope” that provides atomistic detail into the studied systems. The results from these simulation studies lead to the following conclusions; (i) The dimerization in solution is characterized by a random coil to β-sheet transition that seems on pathway to amyloid aggregation, while the interactions with the neuronal membrane attenuate the peptide’s propensity to form a β-sheet structure. (ii) The Aβ42 peptide underwent a disorder-to-order transition in 1:3 complex, but remains largely disordered in 1:1 complexes, yet despite complex formation with lipids the peptide did not insert into the membrane. (iii) The Aβ42 peptide oxidized at Gly25 is potentially as toxic as the wild-type peptide assuming that β-sheet formation in Aβ is connected to its toxicity. (iv) Macromolecular crowing enhances the dimer and hexamer formation with β-sheets of Aβ 16−22 . (v) For all IAPP variants but H18E-IAPP, the membrane-bound IAPP adopted an amphipathic-helical structure, which turned on to be on the way to IAPP amyloid aggregation apart for IAPP with glutamic acid at position 18 that remained in a stable helical conformation. In summary, the simulation studies in this thesis were useful toward uncovering the combined effect of several in vivo conditions on Aβ and hIAPP, which is expected to be of relevance for other amyloid proteins too.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	05.07.2022
Dateien geändert am:	05.07.2022
Promotionsantrag am:	24.03.0022
Datum der Promotion:	05.05.0022