Misfolding of a Human Islet Amyloid Polypeptide at the Lipid Membrane Populates through β-Sheet Conformers without Involving α-Helical Intermediates

Abstract

Amyloid formation has been implicated in many fatal diseases, but its mechanism remains to be clarified due to a lack of effective methods that can capture the transient intermediates. Here, we experimentally demonstrate that sum frequency generation vibrational spectroscopy can unambiguously discriminate the intermediates during amyloid formation at the lipid membrane in situ and in real time by combining the chiral amide I and achiral amide II and amide III spectral signals of the protein backbone. Such a combination can directly identify the formation of β-hairpin-like monomers and β-sheet oligomers and fibrils. A strong correlation between the amide II signals and the formation of β-sheet oligomers and fibrils was found. With this approach, the structural evolution of human islet amyloid polypeptides (hIAPP) at negative lipid bilayers was elucidated. It was firmly confirmed that hIAPP populates through β-sheet conformers without involving α-helical intermediates. The membrane-associated assembly of hIAPP proceeds by assembling with a β-hairpin-like monomer at the lipid bilayer surface, rather than by inserting the preassembled β-sheet oligomers in solution. This newly established protocol is ready to be utilized in revealing the mechanism of amyloid aggregation at the lipid membrane.

Amyloid Self‐Assembly of hIAPP8‐20 via the Accumulation of Helical Oligomers, α‐Helix to β‐Sheet Transition, and Formation of β‐Barrel Intermediates

“…Replica exchange MD simulations combined with IMS‐MS experiments demonstrated the intrinsic propensity of hIAPP monomers to form β‐hairpin conformations, which could take place in the oligomers. Depending on experimental conditions of aggregation such as concentrations and the presence of co‐solvents or membranes, the appearance of helical intermediates may vary but the formation of β‐sheet‐rich oligomers should be the obligatory step toward amyloid aggregation. Hence, our study of hIAPP8‐20 aggregation sheds a new light on the aggregation of full‐length hIAPP.…”

O papel de lipídios oxidados e surfactantes como promotores de agregados proteicos tipo amilóide

“…A segunda indicação (ii) de nossos experimentos também está em acordo com resultados da literatura onde se evidenciou que a formação de agregados do IAPP, na presença de lipossomos, acontece na superfície da membrana lipídica [175,180,181]. Primeiramente, há a ligação do monômero do IAPP na superfície da membrana [184], seguido do enovelamento da proteína para uma conformação rica em α hélice [175,180] (ou não [181]). Após, outros monômeros se agregam à estes primeiros e o oligômero formado passa por outra mundança de estrutura secundária rica em folhas β acarretando na formação da fibra amiloide [175,180,181].…”

“…Primeiramente, há a ligação do monômero do IAPP na superfície da membrana [184], seguido do enovelamento da proteína para uma conformação rica em α hélice [175,180] (ou não [181]). Após, outros monômeros se agregam à estes primeiros e o oligômero formado passa por outra mundança de estrutura secundária rica em folhas β acarretando na formação da fibra amiloide [175,180,181]. Assim, caso haja muita área superficial de membrana disponível para o IAPP se ligar, a probabilidade dos monômeros se ligarem à mesma região da membrana será menor acarretando na diminuição da velocidade da formação da fibra.…”

“…A cinética de agregação do IAPP é extremamente sensível às condições experimentais de pH, tampão, concentração de sal, concentração e composição lipídica dos lipossomos [181]. Por exemplo, a cinética de agregação de uma solução de 4 µM de IAPP dissolvida em tampão de 50 µM Tris-HCl, 150 µM de NaCl a pH 7,6 a 37 o C indica que o tempo para atingir 50% da intensidade máxima de Th T (T 50% ) é da ordem de 5 minutos [182], enquanto que 20 µM do mesmo polipeptídeo demora aproximadamente 42 horas para atingir T 50% , quando disperso em tampão de 20 mM Tris, 100 mM NaCl a pH 7,4 a 25 o C [177].…”

“…No caso da influência de lipossomos na fibrilação do IAPP, há um consenso na literatura indicando que a presença de lipossomos induz a aceleração da formação de agregados do polipeptídeo [177,178,183]. Desta maneira, sugere-se que a membrana lipídica sirva de catalisadora do processo de nucleação do IAPP por oferecer uma superfície de ligação para os monômeros do polipeptídeo, onde o aumento da concentração local desencadearia a fibrilação [180,181]. De fato, simulações computacionais indicaram que o monômero do IAPP se liga à superfície de membranas de DPPG e DPPC:DPPG (7:3) penetrando até 1,62 nm [184].…”