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Détermination des contraintes structurelles contrôlant la formation des amyloïdes

par Rafayel Azizyan

Thèse de doctorat en Biologie Santé

Sous la direction de Andrey Kajava.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé , en partenariat avec CRBM - Centre de Recherche en Biologie cellulaire de Montpellier (laboratoire) .


  • Résumé

    Les amyloïdes font l'objet d'un intérêt particulier en raison de leur lien avec un large éventail de maladies humaines. Dans la majorité des cas, au sein de la même protéine, les régions formant des amyloïdes peuvent coexister avec d'autres motifs incluant des régions intrinsèquement non structurées et des domaines structurés. La présence de ces régions flanquant les segments amyloïdogènes va évidemment affecter la formation d'amyloïdes. Par exemple, dans le cas d'une protéine ayant un segment de jonction (linker) très court entre la région amyloïdogénique et le domaine globulaire, la répulsion stérique entre les structures globulaires peut inhiber la formation de fibrilles amyloïdes. Cependant, malgré un intérêt et une importance considérables, cette problématique est mal comprise et établie. Cette situation peut être principalement attribuée au fait que l'examen des mécanismes mis en jeu en utilisant des méthodes expérimentales est entravé par un polymorphisme des structures amyloïdes. Celui-ci introduit une incertitude sur l'identification des bornes entre le début et la fin des régions amyloïdogènes et celles du segment linker dans un modèle expérimental donné. Dans une telle situation, les approches théoriques par modélisation moléculaire deviennent essentielles pour comprendre ces mécanismes et leurs conséquences topologiques. De plus, une modélisation fondée sur des contraintes de tension stérique peut générer des résultats très fiables L'un des objectifs de ce travail de thèse était d'évaluer l'effet stérique induit par la présence de domaines globulaires voisins sur la formation d'amyloïdes en utilisant différentes techniques de modélisation. En particulier, nous avons testé une protéine hybride constituée d'un fragment amyloïde du peptide Aß (17-42) et de la protéine GFP en tant que domaine globulaire. Pour trouver le segment linker le plus court possible compatible avec une fibrille amyloïde infinie de la molécule Aß-linker-GFP, nous avons construit un modèle avec des arrangements pseudo-hélicoïdaux de GFP densément garnies autour du noyau amyloïde Aß et recherché les segments connecteurs de longueur compatible avec les contraintes topologiques et stéréochimiques. La même approche a été appliquée avec succès pour la molécule GFP-linker-Aß-linker-GFP. En conséquence, nous avons établi les linkers le plus court possible permettent la fibrillogénèse pour toutes les molécules hybrides considérées Dans la deuxième partie de nos études, nous avons analysé les conséquences topologiques et structurales induites par la longueur du segment linker lorsqu'elle est plus courte que celle permettant la formation des fibrilles infinies. Dans cette approche, nous avons utilisé une technique de dynamique moléculaire ciblée combinant une modélisation en corps rigides et une représentation pseudo-atomique en grains grossiers. Comme dans l'analyse précédente, nous avons appliqué des contraintes de tension stérique et testé plusieurs protéines hybrides contenant les linkers plus court. Nous avons démontré que, selon la longueur du linker, ces molécules hybrides peuvent former des structures amyloïdes constituées d'un nombre limité de monomères. Plus la longueur de ce segment est élevée, plus la stœchiométrie des oligomères de type amyloïde est élevée. Nous émettons l'hypothèse qu'une telle oligomérisation peut être une voie commune, d'une part, pour générer des complexes impliqués dans des processus biologiquement importants et, d'autre part, pour déclencher la formation d'oligomères potentiellement cytotoxiques en raison de diverses mutations Les résultats de ce travail contribuent à élucider les fondements des mécanismes moléculaires mis en jeu dans l'amyloïdogénèse. Ils peuvent également être utilisés dans l'interprétation des résultats expérimentaux, l'amélioration des algorithmes de prédiction des régions amyloïdogéniques dans les protéines et la conception rationnelle d'inhibiteurs de l'amyloïdogénèse et de nouvelles nanostructures

  • Titre traduit

    Establishment of structural constraints on amyloid formation


  • Résumé

    Amyloids are the subject of special interest due to their link to a broad range of human diseases. In the majority of cases, within the same protein, the amyloid-forming regions coexist with the other sequence motifs including intrinsically unstructured regions and structured domains. It is apparent that these regions flanking the amyloidogenic regions can affect formation of amyloids. For example, in protein with a very short linker between amyloidogenic region and globular domain, the steric repulsion of the globular structures can prevent formation the amyloid fibrils. However, despite considerable interest and importance this issue is poorly understood. This situation may be attributed to the fact that the examination of these effects by experimental methods is hampered by high polymorphism of amyloid structures which brings an uncertainty in our knowledge about the beginning and end of the amyloidogenic regions and linker in a given experiment. In this situation theoretical modeling approaches are becoming essential to understand these effects. Furthermore, the modelling that uses the steric tension as a criteria can give us highly trustworthy results. Thus, the objective of this work was to evaluate the steric effect of the neighboring globular domains on amyloid formation by using molecular modeling, molecular dynamics and mesoscopic protein models. In particular, we tested a hybrid protein containing an amyloid-forming fragment of Aß peptide (17-42) and GFP as a globular domain. To find the shortest possible linker for the infinite amyloid fibril of Aß-linker-GFP molecule we constructed a model with pseudo-helical arrangements of the densely packed GFPs around the Aß amyloid core and searched for the stereochemically allowed linkers. The same approach has been successfully applied for the GFP-linker-Aß-linker-GFP molecule. In this case there are two possibilities of linkers length: one short linker and one long linker, and two relatively the same length linkers. As a result, we established the minimal linkers allowing fibrillogenesis for all considered hybrid molecules. We also were able to establish a more general relationship between the size of the globular domain and the length of the linker by using mesoscopic protein modeling. In the second part of our studies, we have demonstrated what may happen when the length of the linker is shorter than the one allowing the formation of the infinite fibrils. We used Targeted Molecular Dynamics approach combined with Coarse-Grained MD, as well as rigid body simulation. As in the previous analysis, we used a clear-cut criterion of the steric tension and tested the same hybrid proteins, but containing shorter linkers. We demonstrated that depending on the length of the short linker these hybrid molecules can form amyloid structures with a limited number of monomers. The longer is the linker the more monomers are in the amyloid-like oligomers. We hypothesize that such oligomerization can be a common way, on the one hand, to form complexes involved in biologically important processes and, on the other hand, to trigger formation of cytotoxic oligomers because of disease-related mutations. Furthermore, our results can be used in the protein engineering studies for design of soluble oligomers having amyloid-like core and carrying different functional domains. Finally, in the last part of our studies, we have analyzed possible structural architecture of the amyloid fibril's depending on their twist (small angular offset between stacked neighboring β-strands). The amyloid fibrils exhibit stunning wealth of polymorphysim that is frequently reflected in different twists. The results of this work can provide the fundamental understanding of the molecular mechanisms of amyloidogenesis and also can be used in the interpretation of the experimental results, improvement of the prediction of amyloidogenic regions in proteins, inhibition of amyloid formation and design of nanostructures.