From sequence to structure: determinants of functional and non-functional. Protein aggregation

Abstract

El estudio de la agregación proteica representa un campo de investigación desafiante que abarca tanto el área biomédica como la biotecnológica. El creciente número de enfermedades humanas asociadas a la acumulación de agregados amiloides, así como la formación de depósitos intracelulares durante la producción recombinante de proteínas terapéuticas en modelos celulares ha impulsado la investigación para comprender y desarrollar estrategias contra la agregación de proteínas. Hasta la última década, se pensaba que la agregación amiloide estaba únicamente asociada a estados patológicos o a un plegamiento erróneo durante la producción de proteínas heterólogas. Esta idea fue cambiada radicalmente con el descubrimiento de fibras amiloides utilizadas con fines funcionales en bacterias, hongos, insectos, invertebrados y seres humanos. Esto sugiere que la tendencia a formar estructuras amiloides no se limita exclusivamente a amiloidosis de tipo tóxico si no que puede ser considerada como una propiedad intrínseca de cada cadena polipéptidica que permite la acumulación de agregados macromoleculares con propiedades estructurales excepcionales. En la presente tesis se ha utilizado un conjunto de herramientas biofísicas y computacionales combinadas con modelos in vitro e in vivo para caracterizar la agregación funcional y no funcional. Por un lado, hemos analizado el papel específico de péptidos bacterianos en la formación de biofilms de tipo amiloide así como en la virulencia de S. aureus. Por otro lado, modelos de proteínas estructuralmente distintas se han utilizado para estudiar el papel de los determinantes moleculares tales como la restricción conformacional aportada por puentes disulfuros, condiciones ambientales críticas y propiedades amiloidogénicas intrínsecas en la formación de agregados no funcionales. En general, los datos aquí presentados resaltan el estricto control ejercido por la Naturaleza que permite el ensamblaje amiloide funcional contrarrestando factores intrínsecos y extrínsecos que pueden conducir a la agregación toxica de tipo amiloide.

The study of protein aggregation represents a challenging research field which embraces from biomedical to biotechnological areas. The growing number of human diseases associated to the deposition of amyloid aggregates as well as the formation of intracellular protein deposits during the recombinant production of therapeutic proteins in cell factories has pushed the research to understand and develop strategies against protein aggregation. Until the past decade, amyloid aggregation was thought to be only associated with pathological amyloid states or unsuccessful folding during heterologous protein production. This idea was radically changed with the discovery of amyloid fibers being used for functional purposes in bacteria, fungi, insects, invertebrates and humans This suggests that the amyloid propensity is not confined to toxic amyloidosis but it may be considered as an intrinsic property of the polypeptide chain that allows the build up of macromolecular assemblies with exceptional structural properties. In the present thesis we have used a set of biophysical and computational tools combined with in vitro and in vivo models to characterize both functional and non-functional aggregation. On one side, we have analysed the specific role of bacterial peptides in biofilm amyloid formation and virulence in S. aureus. On other side, structurally distinct protein models have been used to study the role of molecular determinants such as disulfide bond crosslinking, harsh environmental conditions and intrinsic amyloidogenic propensities in the formation of non-functional aggregates. Overall, the data reported here underline the tight control exerted by Nature to allow functional amyloid assembly while counterbalancing intrinsic and extrinsic factors that might lead to toxic amyloid aggregation.