Using Small Globular Proteins to Study Folding Stability and Aggregation

Abstract

El propòsit d’aquesta tesis que porta com a títol “Estudi de l’estabilitat de plegament i l’agregació mitjançant l’ús de proteïnes globulars petites” és el de contribuir al coneixement de com les proteïnes globulars adquireixen la seva estructura nativa i funcional o, alternativament, despleguen i agreguen donant lloc a assemblatges tòxics. Les malalties conformacionals inclouen un número important de desordres humans com la malaltia del Parkinson i Alzheimer, les quals estan relacionades amb canvis conformacionals d’espècies solubles no tòxiques a agregats tòxics. A més, la sobrexpressió de proteïnes recombinants normalment promou l’acumulació d’agregats proteics, essent un gran blocatge en diversos processos biotecnològics. D’aquesta manera, el desenvolupament d’estratègies per reduir o evitar aquestes reaccions aberrants s’ha convertit en un problema molt important tant a la indústria biomèdica com biotecnològica. En la present tesis hem utilitzat una bateria de tècniques biofísiques i computacionals per analitzar el plegament, l’estabilitat conformacional i la tendència a agregar de diverses proteïnes globulars. La combinació d’aproximacions experimentals (in vivo i in vitro) i bioinformàtiques ha proveït nous coneixements sobre les propietats intrínseques i estructurals, incloent la presència de ponts disulfurs i d’estructura quaternària, que modulen aquests processos sota condicions fisiològiques. En general, aquests resultats demostren com l’establiment de contactes natius que promouen la formació d’intermediaris de plegament, estructures natives o interfases proteiques amb estabilitat termodinàmica significativa és un procés crucial tant en la conducció del plegament proteic com de l’agregació.

The purpose of the thesis entitled “Using small globular proteins to study folding stability and aggregation” is to contribute to understand how globular proteins fold into their native, functional structures or, alternatively, misfold and aggregate into toxic assemblies. Protein misfolding diseases include an important number of human disorders such as Parkinson’s and Alzheimer’s disease, which are related to conformational changes from soluble non‐toxic to aggregated toxic species. Moreover, the over‐expression of recombinant proteins usually leads to the accumulation of protein aggregates, being a major bottleneck in several biotechnological processes. Hence, the development of strategies to diminish or avoid these aberrant reactions has become an important issue in both biomedical and biotechnological industries. In the present thesis we have used a battery of biophysical and computational techniques to analyze the folding, conformational stability and aggregation propensity of several globular proteins. The combination of experimental (in vivo and in vitro) and bioinformatic approaches has provided insights into the intrinsic and structural properties, including the presence of disulfide bonds and the quaternary structure, that modulate these processes under physiological conditions. Overall, the data illustrates how the establishment of native‐like contacts providing folding intermediates, native structures or protein interfaces with significant thermodynamic stability is a crucial process both to drive protein folding and to compete toxic aggregation.