Agregats amorfs d’alt pes molecular: membranes, pH i toxicitat del pèptid amiloide en la malaltia d’Alzheimer

Abstract

El pèptid amiloide Aβ(1-40) és un dels principals components de les plaques dels cervells afectats per la malaltia d’Alzheimer, on normalment es troba associat als lípids de la membrana cel·lular. Les membranes poden tenir un rol important en la toxicitat del pèptid, tant com a possible diana com influenciant la formació d’agregats peptídics. Un punt particularment interessant de la influència de les membranes en el procés d’agregació, del que existeixen evidències experimentals, és la peroxidació lipídica com a factor important en la neurodegeneració. L’objectiu general d’aquest treball ha estat la caracterització molecular de la interacció del pèptid amiloide amb les membranes biològiques, parant especial esment en el rol de la peroxidació lipídica. Els resultats han mostrat que en presència de membranes de lípid d’extracte de cervell s’observa una clara acceleració de formació de fibres pel pèptid Aβ(1-40) i una major formació d’aquestes. Per altra banda, l’agregació del pèptid en presència de membranes no oxidades mostra un alentiment i una menor formació de fibres. S’ha observat que aquesta diferència en l’agregació del pèptid segons el grau d’oxidació de les membranes, és deguda a l’aparició de càrregues negatives a la superfície de les membranes durant el procés d’agregació. L’aparició de càrregues negatives a la superfície de la membrana implica un augment de la concentració de protons i per tant una davallada del pH a la superfície de la membrana. Aquesta baixada de pH afecta al plegament del pèptid Aβ(1-40). A pH neutre, aquest pèptid tendeix a formar fibres, passant per una sèrie d’agregats oligomèrics. A pH inferior a 6, quan les histidines del pèptid es troben protonades, aquest pèptid forma agregats amorfs d’alt pes molecular. En aquesta tesi, s’ha vist com aquests agregats tenen una capacitat més gran de desestabilitzar la membrana que no els agregats que es formen a pH neutre. La comparació amb els sistemes vius s’ha dut a terme utilitzant dues línies cel·lulars amb característiques diferents. S’ha vist com el pèptid és més tòxic en cèl·lules PC12 que en cèl·lules SH-5YSY. Les cèl·lules PC12 són crònicament apoptòtiques, la qual cosa implica un augment de fosfatidilserina a la superfície, lípid amb cap polar negatiu, que aporta càrregues negatives a la superfície, i que, per tant, implica una davallada del pH a la superfície cel·lular d’aquestes cèl·lules. El treball conclou que aquests agregats amorfs que es formen a pH baix podrien ser els responsables de la toxicitat del pèptid. Els resultats són rellevants ja que donen un possible mecanisme molecular a la relació que els processos oxidatius i les malalties vasculars en la malaltia d’Alzheimer. Tant els processos oxidatius, que implicarien una acidificació a la superfície cel·lular degut a la peroxidació lipídica, com les malalties vasculars, que poden implicar una acidificació local del teixit, podrien afavorir la formació d’aquests agregats amorfs d’alt pes molecular augmentant la toxicitat del pèptid.

Aβ peptides are the main components of the characteristic fibrilar amyloid plaques found in central nervous systems affected by Alzheimer’s disease. Amyloid plaques are usually found associated to lipids from the plasma cell membrane. Membranes may play a role in amyloid toxicity, either as a peptide’s target or by influencing the peptide aggregation state. A particularly interesting aspect of the possible influence of lipid bilayers is the existence of an important amount of experimental evidence pointing to lipid peroxidation as an important factor in neurodegeneration. The general objective of this thesis was the molecular characterization of the peptide interaction with biological membranes. Granular non-fibrillar aggregates (GNAs) are identified as possible toxic species in Alzheimer’s disease. GNAs form on the surface of negatively charged biological membranes and as a consequence of an acidic environment, off the polymerization pathway at neutral pH. Aβ(1-40) GNAs disturb the bilayer structure of model membranes and seem to be more toxic to cells with negatively charged membranes (consequence of chronic pre-apoptosis). GNAs may be relevant in physiological situations associated to Alzheimer’s disease: a local acidic pH at the cell surface (consequence of lipid oxidation or other cell insults) and acidification as a consequence of vascular events causing hypoxia. Together with previous descriptions of granular aggregates with poly-glutamine peptides related to Huntington’s disease and the SH3 domain of PI3, GNAs related to Alzheimer’s disease are a further example of a possible common aggregation and toxicity mechanism in conformational diseases. GNAs may represent a new pharmacological target in Alzheimer’s disease.