Kinetic, structural and thermodynamic determinants of amyloid fibril formation by the alpha spectrin sh3 domain

Resumen

La abundancia y variedad de datos experimentales acumulados en este estudio nos ha permitido proponer un mecanismo molecular para la formación de fibras amiloides del dominio Spc-SH3. Como se describe en bibliografía, el estado más poblado a valores de pH moderadamente ácido es el estado nativo, pero la estructura de la proteína es altamente dinámica y sufre una gran variedad de cambios conformacionales transitorios, que abarcan desde fluctuaciones locales hasta desplegamiento extenso. Nuestros resultados sugieren que no todos los cambios conformacionales ocurren a través de la misma ruta. Por el contrario, diferentes estados conformacionales pueden estar favorecidos por la influencia de factores ambientales (concentración de sal, temperatura, pH) o por mutaciones específicas (por ejemplo, la mutación N47A). El aumento de la concentración de sal parece afectar alterando el paisaje de energía que favorece la población de estados parcialmente desplegados compactos, en los que el núcleo del dominio podría estar transitoriamente desestructurado. Sin embargo, la disminución de la concentración de sal parece favorecer la típica ruta de plegamiento y desplegamiento del dominio SH3, que está bastante restringido conformacionalmente. Análogamente, mutaciones específicas, como la mutación N47A, pueden desestabilizar el estado de transición del proceso normal de plegamiento y desplegamiento, lo que podría favorecer estados alternativos. Si la concentración de proteína es suficientemente alta, la concentración absoluta de estados parcialmente desplegados con tendencia a la asociación intermolecular puede ser suficiente para que estas especies oligomericen, aun cuando su población sea baja en términos relativos. Nuestros resultados también indican que la distribución de tamaños de estos oligómeros depende de las condiciones empleadas, como hemos observado en los estudios realizados a diferentes concentraciones de sal o a diferentes temperaturas. Existen indicios de que la estructura de los oligómeros es bastante dinámica y puede depender de la naturaleza de las especies que los forman. Estos oligómeros parecen ser núcleos críticos en el desencadenamiento de la cascada de agregación amiloide, ya que hemos encontrado una correlación directa entre el grado de formación de los oligómeros y la velocidad de fibrilación. En cierto momento, debe tener lugar una conversión estructural de los oligómeros dinámicos en protofibras más estables, y una vez alcanzado el proceso de nucleación, comienza el proceso de elongación mediante la incorporación de moléculas de proteína parcialmente desplegadas que dan lugar a las fibras rizadas y desordenadas. En las condiciones que favorecen el proceso de oligomerización (alta temperatura y alta concentración de proteína y sal), la conversión estructural que da lugar a estructuras protofibrilares es más rápida y del mismo modo lo es el crecimiento fibrilar, pero las fibras resultantes son más desordenadas debido posiblemente a limitaciones estructurales impuestas por un ordenamiento más compacto en las estructuras precedentes. Por el contrario, las condiciones que favorecen estructuras menos compactas y oligómeros más pequeños conducen a la formación más lenta de protofibras, con la existencia de una larga fase de retardo, pero las fibras amiloides finales pueden sufrir una ordenación estructural mayor. También hemos encontrado que las fibras rizadas pueden ser de varios tipos, pero su estructura puede también estar dirigida por las condiciones del proceso de nucleación y podrían existir algunos estados clave que conectan las diferentes rutas de fibrilación. En resumen, hemos mostrado que el mecanismo de formación de fibras es un proceso molecular muy complejo que está estrictamente modulado por diversos factores intrínsecos o ambientales que dirigen la subsiguiente cascada de agregación desde los procesos conformacionales iniciales.