[論文レビュー] The hydrophobic effect characterises the thermodynamic signature of amyloid fibril growth

Erik van Dijk, Juami Hermine Mariama van Gils+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2019

Protein Structure and Dynamics参考文献 67被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、疎水性相互作用がアミロイド線維成長の主要な熱力学的駆動要因であることを特定した。粗粒度シミュレーションと実験的 Calorimetry を通じて、線維の延長が埋め込まれた疎水性表面積と強く相関する負の熱容量を示すことが明らかになった。研究では、温度依存のエンタルピー的特徴を確立し、線維における低温変性の条件を説明した。

ABSTRACT

Many proteins have the potential to aggregate into amyloid fibrils, which are associated with a wide range of human disorders including Alzheimer's and Parkinson's disease. In contrast to that of folded proteins, the thermodynamic stability of amyloid fibrils is not well understood: specifically the balance between entropic and enthalpic terms, including the chain entropy and the hydrophobic effect, are poorly characterised. Using simulations of a coarse-grained protein model we delineate the enthalpic and entropic contributions dominating amyloid fibril elongation, predicting a characteristic temperature-dependent enthalpic signature. We confirm this thermodynamic signature by performing calorimetric experiments and a meta-analysis over published data. From these results, we can also elucidate the necessary conditions to observe cold denaturation of amyloid fibrils. Overall, we show that amyloid fibril elongation is associated with a negative heat capacity, the magnitude of which correlates closely with the hydrophobic surface area that is buried upon fibril formation, highlighting the importance of hydrophobicity for fibril stability.

研究の動機と目的

• アミロイド線維の延長における熱力学的駆動要因を明確にすること、特にエンタルピックおよびエントロピック寄与のバランスを解明すること。
• 線維形成時に観察される負の熱容量の分子的起源を特定すること、これは重要な熱力学的特徴である。
• アミロイド線維が低温変性を示すことが熱力学的に可能かどうか、およびその条件を調査すること。
• 微分走査Calorimetry（DSC）および等温滴定Calorimetry（ITC）を用いて、シミュレーションの予測を実験的に検証すること。

提案手法

• 温度依存のエンタルピックおよびエントロピック寄与を計算するために、粗粒度蛋白質モデルを用いてアミロイド線維の延長をシミュレートした。
• α-ラクトアラニンおよびグルカゴン線維を用いたITC実験を行い、線維成長中の熱変化を測定し、熱力学的パラメータを抽出した。
• GNNQQNYの結晶溶解ITC実験を実施し、モノマーの希釈効果を補正してアセンブリのエンタルピーおよび熱容量を推定した。
• 最終濃度に対する熱データの線形フィッティングを用いて、溶解のモルエンタルピーおよび熱容量を決定し、沈降およびモノマー希釈の補正を施した。
• 温度依存の熱容量を組み込んだ熱力学モデルを適用し、実験データにフィットさせ、疎水性寄与を抽出した。
• 既存のDSCおよびITCデータのメタアナリシスを実施し、観察された熱力学的特徴の普遍性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アミロイド線維の延長における主要な熱力学的寄与はエンタルピックかエントロピックか。また、その寄与は温度にどのように依存するか。
• RQ2 疎水性相互作用は、線維形成時に観察される負の熱容量にどのように寄与するか。また、これは埋め込まれた疎水性表面積と相関しているか。
• RQ3 アミロイド線維が低温変性を示す条件は何か。また、そのような状態を可能にする熱力学的基準は何か。
• RQ4 ITCおよびDSCを用いて、異なるタンパク質において線維成長の熱力学的特徴を実験的に検証できるか。
• RQ5 線維形成におけるエンタルピー・エントロピー補償のシミュレーション予測が、実験データとどの程度一致するか。

主な発見

• アミロイド線維の延長は負の熱容量を示し、その大きさは線維形成に伴い埋め込まれる疎水性表面積に直接相関していた。
• 線維成長の熱力学的特徴は疎水性効果によって支配されており、エンタルピックおよびエントロピック両寄与が存在し、結果としてネットで安定化効果を示した。
• ITC実験により、線維成長が発熱的であり、シミュレーションと一致する温度依存のエンタルピー的特徴を示すことが確認された。
• GNNQQNY結晶の溶解熱は20 °Cで4.2 cal/mol、30 °Cで10.3 cal/molであり、モル熱容量は2.6 J/(mol·K)であった。
• 自由エネルギー変化が低温で正になる場合、アミロイド線維の低温変性は熱力学的に可能である。これは、エンタルピー・エントロピー補償曲線がゼロと交差する場合に発生する。
• 可溶状態と線維状態の自由エネルギー差は、α-ラクトアラニンで-52.5 kJ/mol、グルカゴンで-58.3 kJ/molであり、線維形態の高い安定性を示した。