Article de méthode

Caractérisation des agrégats de protéines individuels par nanospectroscopie infrarouge et microscopie de force atomique

DOI :

10.3791/60108

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12 septembre 2019

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1Centre for Misfolding Diseases, Department of Chemistry, University of Cambridge, 2Institute of Biotechnology, Life Sciences Center, Vilnius University, 3Cavendish Laboratory, Department of Physics, University of Cambridge

Dans cet article

Résumé

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Nous décrivons l'application de la nanospectroscopie infrarouge et de la microscopie à haute résolution pour visualiser le processus d'auto-assemblage des protéines dans les agrégats oligomériques et les fibrilles amyloïdes, qui est étroitement associée à l'entrée et au développement d'un large éventail de troubles neurodégénératifs humains.

Résumé

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Le phénomène de l'épandage et de l'agrégation de protéines induits en protéines entraîne la formation d'agrégats protéiques très hétérogènes, qui sont associés à des maladies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer et la maladie de Parkinson. En particulier les agrégats de faible poids moléculaire, oligomères amyloïdes, ont été montrés pour posséder des propriétés cytotoxiques génériques et sont impliqués comme neurotoxines dans de nombreuses formes de démence. Nous illustrons l'utilisation de méthodes basées sur la microscopie de la force atomique (AFM) pour répondre à la tâche difficile de caractériser les propriétés morphologiques, structurelles et chimiques de ces agrégats, qui sont difficiles à étudier à l'aide de structures conventionnelles méthodes biophysiques en vrac en raison de leur hétérogénéité et de leur nature transitoire. Les approches de microscopie des sondes de balayage sont maintenant capables d'étudier la morphologie des agrégats amyloïdes avec une résolution sous-nanométrique. Nous montrons ici que la nanospectroscopie infrarouge (IR), qui exploite simultanément la haute résolution de l'AFM et la puissance de reconnaissance chimique de la spectroscopie IR, peut aller plus loin et permettre la caractérisation des propriétés structurelles des individus protéines, et offrent ainsi un aperçu des mécanismes d'agrégation. Puisque l'approche que nous décrivons peut également être appliquée aux investigations des interactions des assemblages de protéine avec de petites molécules et anticorps, elle peut fournir l'information fondamentale pour développer de nouveaux composés thérapeutiques pour diagnostiquer ou traiter neurodegenerative.

Introduction

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Plus de 40 millions de personnes dans le monde sont actuellement touchées par des troubles neurodégénératifs, tels que la maladie d'Alzheimer (MA)1 et la maladie de Parkinson (PD)2 maladies. Plus généralement, plus de cinquante pathologies sont associées au niveau moléculaire à la méplication et à l'agrégation des protéines, un processus qui conduit à la prolifération d'agrégats insolubles de protéines fibrillaires, connus sous le nom de dépôts amyloïdes3, 4. Les origines moléculaires de la neurodégénérescence et ses liens avec les changements conformationnels p....

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Protocole

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1. Tests d'agrégation sur les lecteurs de plaques de fluorescence

REMARQUE : Le protocole décrit ici est un exemple de la façon d'étudier l'agrégation de toute protéine ou peptide par la cinétique chimique. En particulier, il décrit un protocole optimisé pour étudier l'agrégation du peptide A-42, qui est impliqué dans l'début et la progression de la maladie d'Alzheimer58,59. Un protocole similaire peut être ajusté et adopté pour étudier l'agrégation de toute protéine ou peptide.

  1. Obtenir une solution monomeric très pure d'A-42 grâce à des techniques de chromatographie d'éch....

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Résultats

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Un cours de temps représentatif de l'agrégation de l'A-42, tel que mesuré par l'assiduescence de ThT, est indiqué à la figure 1. Le processus d'agrégation est généralement caractérisé par une courbe sigmoïdale, où une phase de décalage est initialement observée, et est suivie d'une phase de croissance abrupte, avant que la courbe n'atteigne un plateau lorsqu'un état d'équilibre stable est atteint6,7 , 58<.......

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Discussion

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La première étape critique de ce protocole est la préparation de protéines monomériques, comme dans le cas de la solution A-42 décrite dans les étapes 1.1 et 1.2. Il est essentiel d'initier le processus d'agrégation à partir d'une solution monomeric très pure, car la présence d'espèces oligomériques ou agrégées peut entraîner une mauvaise reproductibilité de la cinétique d'agrégation58, et induire des artefacts dans l'AFM (p. ex., les espèces fibrillaires seront évidentes aux premiers stades de l'.......

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n'ont rien à révéler.

Remerciements

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Les auteurs remercient la Fondation nationale suisse pour la science (SNF) pour le soutien financier (numéro de subvention P2ELP2-162116 et P300P2-171219), le Darwin College, le programme ErasmusMD pour le soutien financier (numéro de subvention 2018-1-LT01-KA103-046719-15400-P3) et le recherche menant à ces résultats a reçu un financement du Conseil européen de la recherche dans le cadre du septième programme-cadre de l'Union européenne (7e FP/2007-2013) par l'intermédiaire de la subvention PhysProt (accord numéro 337969), de la Fondation Newman (T.P.J.K.) et de Cambridge Centre for Misfolding Diseases (C.G., M.V., et T.P.J.K.).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Système AFM-IR AnasysInstrumentsnanoIR 2 ou 3Systèmes de mesure de la dilatation thermique en mode contact et résonance
Corning 96 puits Demi-surface Fond noir/transparent Microplaque NBSCorning3881
Corning Microplaque Aluminium Ruban d’étanchéitéCorning6570
Disques adhésifs double faceAGAR ScientificAGG3347N
FLUOstar OmegaBMG Labtech415-101 Lecteur deplaques
Mica Disc 10mm V1AGAR ScientificAGF7013
Park NX10 AFM systemPark SystemsN/AMicroscope à force atomique
Platypus Ultra-Flat Gold ChipsPlatypusTechnologies AU.1000.SWTSG
PPP-NCHR-10 cantileversPark SystemsPPP-NCHR-10
Tubes Protein LowBind, 2.0mLEppendorf30108132
Cantilevers en silicone doréAnasys InstrumentsPR-EX-nIR2
SPM Disques d’échantillons 12mmAGAR ScientificAGF7001

Références

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  1. Selkoe, D. J., Hardy, J. The amyloid hypothesis of Alzheimer’s disease at 25 years. EMBO Molecular Medicine. 8, 595-608 (2016).
  2. Poewe, W., et al. Parkinson disease. Nature Reviews Disease Primers. 3, 1-21 (2017).
  3. Chiti, F., Dobson, C. M.

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Mots-clés

AFM IRAnalyse morphologiquePropri t s structuralesPropri t s chimiquesMaladies neurod g n rativesOligom res amylo desM thodes mol cule unique

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