[논문 리뷰] Stop-and-go kinetics in amyloid fibrillation

Jesper Fonslet, Christian Beyschau Andersen외 7명|ArXiv.org|2009. 10. 21.

Alzheimer's disease research and treatments인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 글루카곤 아밀로이드 섬유가 간헐적인 정지-시작 운동역학을 통해 성장함을 밝혀내며, 성장 및 정지 단계의 지속시간이 지수분포를 따르므로 마코프 과정임을 시사한다. 놀랍게도 다양한 실험 조건에서도 성장 상태에 있을 확률이 항상 약 1/4 수준을 유지하는데, 이는 연장 동역학을 지배하는 4개의 거의 등에너지인 섬유 끝 구조적 형태가 존재함을 시사한다. 이는 속도 변화와는 무관하다.

ABSTRACT

Many human diseases are associated with protein aggregation and fibrillation. We present experiments on in vitro glucagon fibrillation using total internal reflection fluorescence microscopy, providing real-time measurements of single-fibril growth. We find that amyloid fibrils grow in an intermittent fashion, with periods of growth followed by long pauses. The observed exponential distributions of stop and growth times support a Markovian model, in which fibrils shift between the two states with specific rates. Remarkably, the probability of being in the growing (stopping) state is very close to 1/4 (3/4) in all experiments, even if the rates vary considerably. This finding suggests the presence of 4 independent conformations of the fibril tip; we discuss this possibility in terms of the existing structural knowledge.

연구 동기 및 목표

• 단일 섬유 수준에서 아밀로이드 섬유 연장의 동적 메커니즘을 조사하기 위해.
• 섬유 성장이 연속적인지 간헐적인 정지-시작 패턴을 따르는지 확인하기 위해.
• 관찰된 운동역학적 행동의 기원을 이해하고, 단량체 농도 또는 환경 조건에 의해 영향을 받는지 여부를 밝히기 위해.
• 지속적인 1/4 성장 상태 확률이 섬유 끝의 기저 구조적 상태를 반영하는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 유리 표면에서 실시간으로 단일 글루카톤 섬유를 관찰하기 위해 총내부전반사형 형광현미경(TIRFM)을 사용하였다.
• 다양한 조건에서의 여러 실험을 통해 개별 섬유 길이를 시간에 따라 추적하였다.
• 상태 지속시간의 지수분포 여부를 평가하기 위해 반로그 플롯을 사용하여 성장 및 정지 단계의 지속시간을 분석하였다.
• 관측된 상태 지속시간 분포를 지수함수로 피팅하여 전이 속도 상수 $k_+$ (정지 → 성장) 및 $k_-$ (성장 → 정지)를 추정하였다.
• 속도 상수로부터 성장 상태($p_+$) 및 정지 상태($p_-$)에 머무를 확률을 계산하였다.
• 레이저 강도와 단량체 농도를 변화시켜 데이터를 부분적으로 나누어 1/4–3/4 법칙의 강인성을 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아밀로이드 섬유는 연속적으로 성장하는가, 아니면 간헐적인 정지-시작 방식으로 성장하는가?
• RQ2 성장 및 정지 단계의 지속시간이 지수분포를 따르는가? 이는 기억이 없는(Markovian) 과정임을 시사하는가?
• RQ3 다양한 실험 조건에서 속도 상수가 크게 변함에도 불구하고 성장 상태에 있을 확률이 항상 약 1/4에 가까운 이유는 무엇인가?
• RQ4 관찰된 1/4–3/4 상태 확률은 섬유 끝의 구조적 특성, 예를 들어 여러 개의 등에너지 구조형태를 반영하는가?
• RQ5 1/4–3/4 법칙은 단량체 농도 또는 레이저 강도의 변화에 민감한가?

주요 결과

• TIRFM 영상에서 명백한 정지-시작 행동이 관찰되었으며, 긴 정지 기간과 짧은 성장 폭발이 번갈아 나타났다.
• 성장 및 정지 단계의 지속시간이 모두 $R^2 > 0.98$인 지수분포를 따르며, 마코프 운동역학 모델을 지지한다.
• 정지에서 성장으로의 전이 속도($k_+$)는 실험 전반에 걸쳐 0.0059에서 0.0192 min⁻¹의 범위를 보였고, 성장에서 정지로의 전이 속도($k_-$)는 0.0166에서 0.0478 min⁻¹의 범위였다.
• 속도 상수가 크게 변동함에도 불구하고 성장 상태에 머무를 확률($p_+$)은 항상 약 0.244–0.260 수준을 유지하였으며, 약 1/4에 가까웠다.
• 정지 상태에 머무를 확률($p_-$)은 모든 실험에서 약 0.740–0.756 수준을 유지하였으며, 약 3/4에 가까웠다.
• 레이저 강도와 단량체 농도를 변화시켜도 1/4–3/4 법칙이 강인하게 유지됨을 통해, 장력 장벽 높이만 변화하는 4개의 거의 등에너지 섬유 끝 구조형태가 존재함을 시사한다.