The universe of neurotoxic proteins: A study of the conformational space of polyglutamine and β-amyloid

Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Física de la Materia Condensada. Fecha de lectura: 16-10-2015Neurodegenerative diseases are considered diseases of the old. These are among the main causes of death after the discovery of vaccination and antibiotics in the late 18th and early 20th century, respectively, pushed the average life expectancy in the developed countries to the current age of about 80. Among them, Alzheimer and Huntington are incurable diseases, even though a great effort has been put in their understanding and several important discoveries have been made about their causal factors. Both diseases are related to specific proteins in the nervous system: β-amyloid (Alzheimer) and polyglutamine expansions in huntingtin (Huntington). Polyglutamine expansions are also present in other proteins, which are in turn involved in several other diseases such as Spinocerebellar Ataxias. The study of these rapidly fluctuating proteins is challenging using the current biophysical techniques, which do not give access to the whole distribution of conformations but average over the whole population of molecules and thereby hide rare events. The advent of single-molecule techniques, as well as their good correlation with computer simulations, has made the atomistic exploration of these proteins possible. In this work, we combine atomic force microscopy with molecular dynamics simulations to study the conformational polymorphism of polyglutamine expansions and β-amyloid. We discover that both proteins have very similar behaviour at the monomeric level even if their amino acid sequences are quite different. When allowed to evolve, these proteins continuously waver between several different conformers that have distinct shapes and properties. Among these conformations, we find some that last longer than others, some that present a high resistance to forced unfolding and, in simulations, some that generate a knot in their structure. With these findings, we propose that high temporal stability, high stability under force and the presence of knots might explain the toxicity of these proteins at the monomeric level, since the proteasomal degradation of some of these species seems to be troublesome and, under certain circumstances, impossibleLas enfermedades neurodegenerativas se consideradan enfermedades de la vejez. Éstas se encuentran entre las mayores causas de mortalidad desde que el descubrimiento de las vacunas y los antibióticos a finales del siglo XVIII y a principios del XX, respectivamente, alargaron la esperanza de vida (en países desarrollados) hasta la edad actual de alrededor de 80 años. Entre ellas, el Alzheimer y el Huntington son enfermedades incurables, a pesar del gran esfuerzo realizado para entenderlas y los distintos descubrimientos realizados acerca de sus factores causales. Ambas enfermedades están relacionadas con proteínas del sistema nervioso: β-amiloide (Alzheimer) y expansiones de poliglutaminas en la huntingtina (Huntington). Las expansiones de poliglutaminas también están presentes en otras proteínas, que a su vez están implicadas en otras enfermedades como las Ataxias Espinocerebelares. El estudio de estas proteínas rápidamente fluctuantes presenta un reto para las técnicas actuales de biofísica, que no dan acceso a la distribución completa de posibilidades sino que promedian sobre la población y con ello esconden eventos raros. El advenimiento de las técnicas de molécula individual, junto con su buena correlación con las simulaciones por ordenador, ha hecho posible la exploración de estas proteínas. En este trabajo combinamos la microscopía de fuerzas atómicas con simulaciones de dinámica molecular para estudiar el polimorfismo conformational de las expansiones de poliglutamina y el β-amiloide. Descubrimos que el comportamiento de ambas es similar a nivel de monómero a pesar de que sus secuencias aminoacídicas son distintas. Cuando se las deja evolucionar, estas proteínas fluctúan rápidamente entre varios confórmeros que presentan formas y propiedades distintas. Entre estas conformaciones, encontramos algunas que duran más que otras, varias con alta resistencia al desplegamiento bajo fuerza y, en simulaciones, algunas que generan un nudo en su estructura. Con estos descubrimientos, proponemos que la estabilidad temporal, la alta estabilidad bajo fuerza y la presencia de nudos podrían explicar la toxicidad de éstas proteínas a nivel de monómero, ya que la degradación de algunas de estas especies en el proteasoma parece ser problemática y, en ciertas condiciones, imposible