[논문 리뷰] The hydrophobic effect characterises the thermodynamic signature of amyloid fibril growth

Erik van Dijk, Juami Hermine Mariama van Gils외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 13.

Protein Structure and Dynamics참고 문헌 67인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 아밀로이드 섬유 성장의 주요 열역학적 원동력으로 수소결합 효과를 규명하며, 군집화된 시뮬레이션과 실험적 혼합량열량측정법을 통해 섬유 연장이 매장된 비극성 표면적과 강하게 상관관계가 있는 음수 열용량을 나타냄을 보여줌. 이 작업은 특성 온도 의존성 엔탈피 서명을 수립하고 섬유에서의 찬물 탈거성 조건을 설명함.

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.

연구 동기 및 목표

• 아밀로이드 섬유 연장의 열역학적 원동력을 명확히 하여, 특히 엔탈피와 엔트로피 기여의 균형을 밝히는 것.
• 섬유 형성에서 관찰된 음수 열용량의 분자 기원을 규명하는 것, 이는 열역학적 핵심 서명임.
• 아밀로이드 섬유가 찬물에서 탈거성될 수 있는지, 그리고 어떤 조건에서 가능한지를 조사하는 것.
• 실험적 미세열량측정(DSC)과 등온량열량측정(ITC)을 통해 시뮬레이션 예측을 검증하는 것.

제안 방법

• 온도에 따른 엔탈피 및 엔트로피 기여를 계산하기 위해 군집화된 단백질 모델을 사용하여 아밀로이드 섬유 연장을 시뮬레이션함.
• α-라크탈불민과 글루카곤 섬유에서 ITC 실험을 수행하여 섬유 성장 중 열 변화를 측정하고 열역학적 매개변수를 추출함.
• GNNQQNY의 결정 용해 ITC 실험을 수행하여 조립의 엔탈피와 열용량을 추정함. 이때 단량체 희석 효과를 보정함.
• 최종 농도에 대한 열 데이터의 선형 피팅을 통해 용해의 몰 엔탈피와 열용량을 결정함. 침강 및 단량체 희석에 대한 기준선 보정을 시행함.
• 온도 의존성 열용량을 포함한 열역학 모델을 적용하여 실험 데이터를 피팅하고 수소결합 기여도를 추출함.
• 공개된 DSC 및 ITC 데이터를 메타분석하여 관찰된 열역학 서명의 일반성 확인함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아밀로이드 섬유 연장에 가장 큰 기여를 하는 열역학적 기여는 엔탈피인지 엔트로피인지, 그리고 이는 온도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 수소결합 효과는 섬유 형성에서 관찰된 음수 열용량에 어떻게 기여하는가, 그리고 이는 매장된 비극성 표면적과 관련이 있는가?
• RQ3 아밀로이드 섬유가 찬물에서 탈거성될 수 있는 조건은 무엇이며, 이러한 현상이 가능하게 하는 열역학적 기준은 무엇인가?
• RQ4 ITC와 DSC를 사용하여 다양한 단백질에서 섬유 성장의 열역학 서명을 실험적으로 검증할 수 있는가?
• RQ5 섬유 형성에서 엔탈피-엔트로피 보상의 시뮬레이션 예측이 실험 데이터와 어느 정도 일치하는가?

주요 결과

• 아밀로이드 섬유 연장은 음수 열용량을 특징으로 하며, 그 크기는 섬유 형성 시 매장되는 비극성 표면적과 직접적으로 상관관계가 있음.
• 섬유 성장의 열역학 서명은 수소결합 효과에 의해 지배되며, 이는 엔탈피적으로도 엔트로피적으로도 기여하고, 순수하게 안정화 효과를 가짐.
• ITC 실험은 섬유 성장이 발열 반응임을 확인하였고, 이는 시뮬레이션과 일치하는 특성 온도 의존성 엔탈피 서명을 나타냄.
• GNNQQNY 결정의 용해열은 20 °C에서 4.2 cal/mol, 30 °C에서 10.3 cal/mol로 측정되어 몰 열용량 2.6 J/(mol·K)를 산출함.
• 자유 에너지 변화가 낮은 온도에서 양수가 되면 아밀로이드 섬유의 찬물 탈거성이 열역학적으로 가능해지며, 이는 엔탈피-엔트로피 보상 곡선이 0을 가로지를 때 발생함.
• 용해 상태와 섬유 상태 사이의 자유 에너지 차이는 α-라크탈불민에서 -52.5 kJ/mol, 글루카곤에서 -58.3 kJ/mol로 나타나 섬유 형태의 높은 안정성을 시사함.