Design and characterization of coiled coil-based amyloid forming model peptides

Abstract

The common feature of proteins involved in type II Diabetes, Alzheimer's disease, and Parkinson's disease is their ability to adopt at least two different stable conformations. The conformational transition that shifts the equilibrium from the functional, mostly unfolded or partially α-helical structure to the β-sheet rich amyloid isoform can be triggered by mutations in the primary structure as well as by changes of the environmental conditions such as pH, ionic strength, metal ions, protein concentration, oxidative stress, or a small quantity of misfolded protein fragments. Elucidation of the molecular interactions that occur during the structural transformation and the consecutive formation of amyloids on a molecular level is still a challenge. The low solubility of amyloid forming peptides, their intrinsically high tendency to aggregate, and a mostly poor synthetic accessibility restrict the spectrum of analytical techniques and, thus, complicate a detailed characterization. Therefore, the development of small peptide models that can serve as tools for such studies is of paramount importance. This thesis presents the stepwise design of model peptides that, without changes in their primary structure, predictably react on either changes of pH or the presence of transition metal ions by adopting different defined conformations and aggregate morphologies. These de novo designed peptides strictly follow the characteristic heptad repeat of the α-helical coiled coil folding motif. Furthermore, residues that favor a β-sheet conformation have been incorporated to make the system prone to amyloid formation. Additionally, either charged amino acids placed in close proximity to each other or metal binding histidines were used to create functionalities which are sensitive to differing pH and metal ion conditions, respectively. Spectroscopic and electron microscopic investigations showed that subtle changes in the environmental conditions are able to vigorously alter the peptides secondary structure and, as a result, determine aggregate morphology and the course of amyloid formation. Moreover, gas phase infrared spectroscopy experiments of selected non-amyloidogenic α-helical coiled coil peptides and their oligomeric complexes are presented. These data provide plausible evidence that protein secondary structure elements are retained to a certain degree in the gas phase.

Die Fähigkeit zwei unterschiedliche, stabile Konformationen einzunehmen ist eine Gemeinsamkeit von Proteinen, die bei unterschiedlichen Erkrankungen, wie z. B. Diabetes Typ II, der Alzheimer-Krankheit und Morbus Parkinson, eine wesentliche Rolle spielen. Der Konformationsübergang von der funktionalen, meist ungeordneten oder partiell helikalen Struktur zur β-Faltblatt-reichen Amyloid Form kann dabei durch Mutationen in der Primärstruktur oder geänderte Umgebungsbedingungen, wie z.B. pH-Wert, Ionenstärke, Metallionen, Proteinkonzentration, oxidativer Stress oder die Anwesenheit einer kleinen Menge fehlgefalteten Proteins, ausgelöst werden. Eine Aufklärung der molekularen Wechselwirkungen während dieses Umfaltungsvorganges und der daraus resultierenden Bildung von Amyloiden auf molekularer Ebene stellt nach wie vor eine große Herausforderung an die moderne Wissenschaft dar. Die schlechte Löslichkeit von amyloidbildenden Proteinen, ihre starke Tendenz zur Aggregation und die meist schlechte synthetische Zugänglichkeit beschränken das Spektrum analytischer Möglichkeiten, wodurch einen genaue Charakterisierung erschwert wird. Deshalb ist die Entwicklung und Etablierung von kleinen, überschaubaren Peptidmodellen, welche als Werkzeug für solche Untersuchungen genutzt werden können, von großer Bedeutung. In dieser Doktorarbeit wird die schrittweise Entwicklung von Modellpeptiden gezeigt, die ohne Primärstrukturmodifikationen auf pH-Wert Änderungen oder die Anwesenheit von Metallionen reagieren, indem sie unterschiedliche Strukturen und Aggregatmorphologien einnehmen. Diese de novo entworfenen Peptide folgen dem charakteristischen heptad-Wiederholungsmuster des α-helikalen coiled coil Proteinfaltungsmotivs. Darüber hinaus wurden β-Faltblatt bevorzugende Aminosäuren eingebaut um die allgemeine Amyloidbildungstendenz des Modellsystems zu erhöhen. Außerdem wurden durch den Einbau von räumlich benachbarten, gleichgeladenen Aminosäuren oder metallbindenden Histidin Resten pH-Wert bzw. metallsensitive Funktionalitäten erzeugt. Spektroskopische und elektronenmikroskopische Untersuchungen haben gezeigt, dass geringe Änderungen der Umgebungsbedingungen die Sekundärstruktur der Peptide deutlich verändern und im Ergebnis die Aggregatmorphologie und den Verlauf der Amyloidbildung bestimmen. Darüber hinaus werden die Gasphasen Infrarotspektren ausgewählter coiled coil Peptide und ihrer oligomeren Komplexe gezeigt. Diese Daten liefern wesentliche Anhaltspunkte dafür, dass Sekundärstrukturelemente von Proteinen in bestimmtem Maße in der Gasphase erhalten bleiben können.