[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究确定疏水效应是淀粉样纤维生长的主要热力学驱动力，通过粗粒度模拟和实验量热法证明，纤维伸长过程表现出与埋藏疏水表面积强相关的负热容。该研究确立了特征性的温度依赖焓变特征，并解释了纤维中冷变性条件的成因。

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.

研究动机与目标

• 阐明淀粉样纤维伸长背后的热力学驱动力，特别是焓变与熵变贡献之间的平衡。
• 确定观察到的纤维形成过程中负热容的分子起源，这是关键的热力学特征。
• 研究淀粉样纤维冷变性在热力学上是否可行，以及在何种条件下可发生。
• 通过差示扫描量热法（DSC）和等温滴定量热法（ITC）验证模拟预测。

提出的方法

• 采用粗粒度蛋白质模型模拟淀粉样纤维伸长过程，计算不同温度下的焓变与熵变贡献。
• 对α-乳白蛋白和胰高血糖素纤维进行ITC实验，测量纤维生长过程中的热量变化，以提取热力学参数。
• 对GNNQQNY进行晶体溶解ITC实验，估算组装过程的焓变与热容，校正单体稀释效应。
• 通过热量数据与最终浓度的线性拟合，确定溶解的摩尔焓变与热容，对沉降和单体稀释效应进行基线校正。
• 应用包含温度依赖热容的热力学模型，拟合实验数据并提取疏水贡献。
• 对已发表的DSC与ITC数据进行元分析，以确认所观察到热力学特征的普适性。

实验结果

研究问题

• RQ1 淀粉样纤维伸长的主要热力学贡献是焓变还是熵变？其随温度的变化如何？
• RQ2 疏水效应如何贡献于纤维形成中观察到的负热容？该效应是否与埋藏疏水表面积相关？
• RQ3 在何种条件下淀粉样纤维可发生冷变性？其热力学条件是什么？
• RQ4 能否通过ITC与DSC在不同蛋白质中实验验证纤维生长的热力学特征？
• RQ5 模拟预测的纤维形成中焓-熵补偿程度在多大程度上与实验数据一致？

主要发现

• 淀粉样纤维伸长具有负热容，其大小与纤维形成过程中埋藏的疏水表面积直接相关。
• 纤维生长的热力学特征主要由疏水效应主导，其在焓变和熵变方面均有贡献，净效应为稳定化。
• ITC实验证实纤维生长为放热过程，并表现出与模拟结果一致的特征性温度依赖焓变特征。
• 测得GNNQQNY晶体的溶解焓为20 °C时4.2 cal/mol，30 °C时10.3 cal/mol，得到摩尔热容为2.6 J/(mol·K)。
• 当吉布斯自由能变化在低温下变为正值时，淀粉样纤维的冷变性在热力学上是可能的，这发生在焓-熵补偿曲线穿过零点时。
• α-乳白蛋白的可溶态与纤维态之间的自由能差为-52.5 kJ/mol，胰高血糖素为-58.3 kJ/mol，表明纤维形态具有高度稳定性。