The dynamic nature of amyloid-beta protein aggregation and its association to Alzheimer’s disease

Author

Vilaprinyó Pascual, Sílvia

Director

Carulla Casanovas, Natàlia

Tutor

Giralt Lledó, Ernest

Date of defense

2015-07-27

Legal Deposit

B 22196-2015

Pages

154 p.



Department/Institute

Universitat de Barcelona. Departament de Química Orgànica

Abstract

Amyloid-beta protein (Aß) is strongly linked to the aetiology of Alzheimer’s disease (AD). Even though Aß has a central role in AD, this protein is normally produced in healthy humans. It is the aberrant processing of Aß that determines its accumulation and aggregation into large oligomer species that evolve into the fibrillar structures deposited in amyloid plaques in the brain of AD patients. The neurotoxicity observed in AD has been attributed to the oligomeric intermediates, although their stoichiometry and structure still remain unknown. This is the reason why no AD therapeutic approaches tackling Aß aggregation have arrived to the market yet. In the present thesis, we have determined the stoichiometry and the structure of the oligomers formed in the early stages of Aß aggregation. Due to their highly dynamic nature, we have first obtained their covalent counterparts through the use of a photo-induced crosslinking methodology. Successful isolation of cross-linked Aß dimers and trimers has been achieved by means of a disaggregating treatment coupled to size exclusion chromatography. The combined study of these isolated cross-linked species through ion mobility coupled to electrospray ionization mass spectrometry, circular dichroism and molecular dynamics simulations, has shown that Aß dimers and trimers possess a globular shape without defined secondary structure. Moreover, we have proved that these cross-linked oligomers induce calcium influx, an intracellular marker for neurotoxicity, in primary neuroglial cultures, and that these cross-linked species effectively modulate Aß aggregation. Additionally, we have demonstrated that classical SDS-PAGE analysis provides misleading results when determining oligomer stoichiometry. The present thesis was also aimed at providing insights into the role of Aß amyloid fibrils in AD. Aß fibrils had been previously shown to be in dynamic equilibrium with soluble Aß species. The objective was to find evidences on the nature of these soluble species in equilibrium with Aß fibrils. Determination of their stoichiometry has been achieved by incubating Aß fibrils with insulin degrading enzyme, an enzyme which we have demonstrated to specifically proteolyze monomeric Aß. Subsequent analysis of Aß fibrils by hydrogen/deuterium exchange monitored by mass spectrometry has revealed that Aß fibrils are in equilibrium with monomers and low molecular weight oligomers. This equilibrium has been proved to be highly dependent on the physicochemical properties of Aß fibrils.


La proteïna beta amiloide (Aß) es troba estretament lligada a la malaltia d’Alzheimer (MA). Tot i el seu rol central en la malaltia, Aß es produeix de forma regular en humans sans. És el processament aberrant de la proteïna que en determina la seva acumulació i agregació, primer en intermedis oligomèrics transitoris que evolucionen cap a les estructures fibril·lars que composen les plaques amiloides dipositades al cervell dels malalts de la MA. La neurotoxicitat associada a la malaltia s’atribueix a les espècies intermèdies, per bé que se’n desconeix l’estequiometria i l’estructura. En la present tesi doctoral, hem determinat l’estequiometria i l’estructura dels oligòmers d’Aß formats en els estadiatges inicials de l’agregació. Hem provat que aquests oligòmers mostren neurotoxicitat en cultius neuronals primaris. Addicionalment, hem demostrat que el clàssic anàlisi per electroforesi en gel proporciona resultats confusos a l’hora de determinar l’estequiometria dels oligòmers. Els resultats presentats en la tesi doctoral també mostren evidències de que les fibres amiloides d’Aß es troben en equilibri amb monòmers i oligòmers de baix pes molecular. Aquest equilibri ha demostrat ser dependent de les propietats fisicoquímiques de les pròpies fibres d’Aß.

Keywords

Malaltia d'Alzheimer; Enfermedad de Alzheimer; Alzheimer's disease; Agregació (Química); Agregación (Química); Aggregation (Chemistry); Espectrometria de masses; Espectrometría de masas; Mass spectrometry; Beta amiloide; Beta-amiloide; Amyloid beta; Pèptids; Péptidos; Peptides

Subjects

547 - Organic chemistry

Knowledge Area

Ciències Experimentals i Matemàtiques

Note

Tesi realitzada a l'Institut de Recerca Biomèdica de Barcelona (IRBB)

Documents

SVP_PhD_THESIS.pdf

2.452Mb

 

Rights

ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs.

This item appears in the following Collection(s)