Effet of Glycation on the protein structure, conformation and aggregation tendency

Abstract

[eng] Protein glycation (PG) is a non-enzymatic process that involves the reaction between reducing sugars and protein amino groups. It ends with the formation of advanced glycation end products (AGEs), which are able to modify the physicochemical features of proteins and therefore, induce their loss of function and the development of diabetes- related diseases. For many years, it has been assumed that PG had a chaotropic effect on the protein structure, which would trigger its aggregation. However, the mechanism that links PG with protein aggregation is still unclear. To better understand the effect of glycation on the protein structure and aggregation tendency we have used a broad range of biophysical techniques, such as nuclear magnetic resonance, fluorescence spectroscopy, mass spectrometry or atomic force microscopy, among others. Their combination has allowed us to analyze at residue level the effect of the AGEs formation on the protein fold. Firstly, we have studied the effect of glycation on a fifteen-residue peptide with a single glycation target. Afterwards, we analyzed the glycation effect on the structure and aggregation tendency of hen egg white lysozyme (HEWL) by using three different glycating agents: ribose, methylglyoxal and glycolaldehyde. Simultaneously, we also studied the role of some hydroxypiridines as inhibitors of the HEWL fibrillization. Finally, we have studied the effect of glycation on the conformation, aggregation tendency and redox features of a-synuclein, an intrinsically disordered protein involved in the development of Parkinson’s disease. Altogether, our results provide new insights into the molecular mechanisms underlying the protein aggregation linked to glycation and constitute a valuable information for guiding medicinal chemistry in the development of next-generation anti- neurodegenerative drugs.

[spa] La glicación proteica es un proceso no enzimático que consiste en la reacción entre azúcares reductores y los grupos amino de las proteínas. Este proceso concluye con la formación de los productos finales de glicación o AGEs, que son capaces de modificar las propiedades fisicoquímicas de las proteínas, inducir la pérdida de su función y estimular el desarrollo de patologías asociadas a la diabetes. Durante años se ha asumido que la glicación tenía un efecto caotrópico sobre la estructura proteica, lo cual podría estimular su tendencia a la agregación. Sin embargo, el mecanismo que relaciona la glicación proteica con la agregación proteica todavía no se conoce con certeza. Con el fin de comprender el efecto de la glicación sobre la estructura y tendencia a la agregación proteica, se han utilizado de forma conjunta un amplio abanico de técnicas biofísicas, como la resonancia magnética nuclear, la espectroscopia fluorescente, la espectrometría de masas o la microscopía de fuerzas atómicas, entre otras. La combinación de estas técnicas ha permitido el análisis a nivel residual del efecto de la formación de AGEs sobre el plegamiento proteico. Inicialmente se estudió el efecto de la glicación en un péptido de 15 residuos con una única diana de glicación. Seguidamente, se analizó el efecto de la glicación en la estructura y tendencia a la agregación de la lisozima de clara de huevo de gallina (HEWL) usando tres agentes glicantes diferentes: la ribosa, el metilglioxal y el glicolaldehído. Paralelamente, también se analizó el papel de algunas hidroxipiridinas como inhibidores de la fibrilación de la HEWL. Finalmente, se ha estudiado el efecto de la glicación en la conformación, tendencia a la agregación y propiedades redox de una proteína intrínsecamente desordenada implicada en el desarrollo del Parkinson, la a-sinucleína. En conjunto, nuestros resultados han ayudado a clarificar el mecanismo que relaciona la agregación proteica con la glicación proteica, lo que supone una valiosa información para la química médica en su camino hacia el desarrollo de medicamentos de nueva generación para tratar patologías neurodegenerativas.

[cat] La glicació proteica és un procés no enzimàtic que implica la reacció entre sucres reductors i grups amino de proteïnes. Aquest procés finalitza amb la formació dels productes finals de glicació o AGEs, els quals poden modificar les propietats fisicoquímiques de les proteïnes, provocant un pèrdua de la funció proteica i el desenvolupament de patologies associades a la diabetis. Durant anys, s’ha assumit que la glicació proteica induïa la pèrdua en la estructura proteica, fet que podia facilitar la seva agregació. Malgrat això, el mecanisme que relaciona la glicació amb l’agregació proteica encara no es coneix en detall. Per tal d’entendre millor l’efecte de la glicació damunt l’estructura i tendència a l’agregació proteica, aquesta tesis doctoral ha emprat una gran varietat de tècniques biofísiques, com la ressonància magnètica nuclear, l’espectroscòpia fluorescent, l’espectrometria de masses o la microscòpia de forces atòmiques, entre d’altres. La combinació d’aquestes tècniques ha permès l’anàlisi a nivell residual de l’efecte dels AGEs en el plegament proteic. Inicialment, hem estudiat l’efecte de la glicació en un pèptid de 15 aminoàcids amb una única diana de glicació. Tot seguit, hem analitzat l’efecte de la glicació a l’estructura i tendència a l’agregació del lisozim del blanc d’ou de gallina (HEWL), emprant per això tres agents glicants de diferent naturalesa química: la ribosa, el metilglioxal i el glicolaldehid. Paral·lelament, també hem estudiat el paper d’algunes hidroxipiridines com inhibidors de la fibril·lació de la HEWL. Finalment, hem estudiat l’efecte de la glicació a la conformació, tendència a l’agregació i propietats redox d’una proteïna intrínsecament desordenada implicada en el desenvolupament del Parkinson, l’a-sinucleïna. En conjunt, els nostres resultats han ajudat a clarificar el coneixement actual sobre el mecanisme que relaciona l’agregació proteica amb la glicació proteica, fet que ha esdevingut una valuosa informació per a guiar la química mèdica en el desenvolupament de medicaments de nova generació per tractar patologies neurodegeneratives.