Evaluating Fluorine’s Impact on Amyloid Formation – a Systematic Study Using a Coiled-Coil Based Model Peptide

Abstract

Ein gemeinsames Merkmal vieler neurodegenerativer Erkrankungen ist die strukturelle Umfaltung von Peptiden aus einer nativen, funktionalen Konformation in unlösliche Amyloid-Ablagerungen. Amyloidbildung tritt aber nicht nur im Zusammenhang mit Krankheiten auf, sondern ist eine generelle Eigenschaft von Peptiden. Durch ihre besondere Stabilität und ihre regelmäßigen Strukturen sind Amyloide mittlerweile auch interessante Materialien für Bio- oder Nanotechnologische Anwendungen geworden. In dieser Hinsicht wurde der Einbau nicht natürlicher Baussteine, insbesondere fluorierter Aminosäuren, eine Standardstrategie um solche Strukturen zu modifizieren. Durch seine besonderen stereoelektronischen Eigenschaften kann Fluor die Struktur, die Funktion und die Stabilität von Peptiden und Proteinen drastisch beeinflussen. Frühere Ansätze, die Eigenschaften fluorierter Aminosäuren zu untersuchen, haben sich hauptsächlich auf helikale Systeme beschränkt. In Amyloiden wurde Fluor bisher hauptsächlich als diagnostisches Label eingebaut. Inwieweit Fluorierungen den Prozess der Amyloidbildung beeinflussen wurde bisher nicht systematisch untersucht. Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von Fluor auf die Amyloidbildung anhand eines Modellpeptids, das in der Arbeitsgruppe von Frau Prof. Dr. B. Koksch entwickelt wurde. Das Modell wurde so generiert, dass es unter kontrollierten Bedingungen aus einer anfänglich helikalen Struktur in β-faltblattreiche Amyloidstrukturen umfalten kann. Frühere Arbeiten lieferten fundierte Erkenntnisse hinsichtlich der anfänglichen coiled coil-Struktur und des internen Faltungsmotivs der Fibrille. Diese stellten die Grundlage für die aktuellen Untersuchungen dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei benachbarte Valine, die eine Schlüsselfunktion für den Umfaltungsprozess darstellen durch verschiedene fluorierte Aminosäuren ersetzt. Diese Aminosäuren unterschieden sich hinsichtlich ihres Fluogehaltes und ihrer intrinsischen Eigenschaften, wie Größe, Hydrophobie und α-Helixpropensität. Mithilfe des systematischen Ansatzes wurden diese Eigenschaften fluorierter Aminosäuren hinsichtlich Ihres Einflusses auf den Prozess der Amyloidbildung untersucht. Die Peptide, welche mit einer Reihe von Methoden untersucht wurden, zeigten ein unerwartetes Faltungsverhalten als Folge der variierten stereoelektronischen Eigenschaften, die wiederum direkt auf den Einbau der jeweiligen Aminosäure zurückgeführt werden konnten. Anhand von Berechnung der kritischen Größe des Nukleus, einem Intermediat das als Templat für die Aggregation fungiert, konnte ein möglicher Mechanismus für den Faltungsprozess vorgeschlagen werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden dazu beitragen den Prozess der Amyloidbildung und dessen Modulation durch fluorierte Aminosäuren besser zu verstehen.

A common hallmark of many neurodegenerative diseases is the conformational transition of peptides from a native, functional form into insoluble amyloid deposits. Amyloid formation, however, is not a specific feature of disease- related proteins, but instead appears to be a general property of peptides and proteins. The outstanding mechanical stability and remarkably regular fibrous architecture have made amyloids also attractive materials for bio- or nano- technological applications. In this regard nonnatural building blocks and fluorinated amino acids in particular, have become standard tools for modulating such structures. Due to its unique stereoelectronic properties fluorine can have dramatic effects on structure, function, and stability of peptides and proteins. Previous approaches to assessing the properties of fluorinated amino acids have mainly focused on helical systems. In terms of amyloid forming peptides, fluorine has mainly been used as diagnostic reporter group. As to what extend fluorination influences the process of amyloid formation has not been investigated systematically so far. The present thesis evaluates the impact of fluorine on amyloid formation with the help of a model peptide that was developed in the group of Prof. Dr. Beate Koksch. The model was designed to provide an α-helical starting structure that can fold into β-sheet rich amyloids under controlled conditions. Previous studies revealed solid structural information about the initial coiled coil structure and the final fibril architecture, which serve as a basis for the present investigations. In the course of this work two neighboring valine residues that play a key role in the structural transition were replaced by several fluorinated amino acids that contain different fluorine content in their side chains. These amino acids vary with regard to their intrinsic properties, such as size, hydrophobicity, and secondary structure propensities. By means of this systematic approach the properties of fluorinated amino acids have been investigated for their impact on the amyloid formation process. The resulting peptides, which have been analyzed by a battery of high and low resolution techniques, show unexpected folding behaviors as a consequence of the interplay between stereoelectronic effects that can be directly attributed to the particular incorporated amino acid. By determining the critical size of the nucleus, an intermediate species that serves as template for peptide aggregation, a potential pathway for the structural transition has been suggested. The results of this thesis will contribute to an understanding of amyloid formation and how this process can be modulated by fluorinated amino acids.