Rôle de la région N-terminale 1-16 du peptide amyloïde Abeta dans la deposition amyloïde associée à la maladie d'Alzheimer : Plasticité conformationnelle, modifications liées au vieillissement protéique et interaction avec les ions Zn2+

Abstract

Amyloid deposits are extracellular fibrillar lesions associated with Alzheimer's disease that are mainly composed of the amyloid peptide, Aβ. The transition of Aβ helical or random secondary structure towards a β-sheet conformation, with concomitant peptide fibrillization, is a proposed mechanism of plaque formation. Amyloid deposits contain a high content of zinc ions, and display an important heterogeneity of the N-terminal part of Aβ, with troncated, isomerized and racemized forms. These modifications as well as the interaction with Zn2+ have been suggested to take part in Aβ fibrillogenesis, or to occur after the amyloid deposition, given the accessibility of the N-terminal region of Aβ within amyloid fibrils.Our study was mainly focused on the 1-16 N-terminal region of Aβ, Aβ(1-16), which is suggested to be implicated in Zn2+ binding and displays several sites that are able to undergo protein-aging related modifications. Our aim was to characterize the different molecular mechanisms which alter Aβ and could inhibit the recognition of this potential therapeutic target, by anti-Aβ antibodies in particular.We showed by circular dichroism (CD) and NMR spectroscopy the conformational plasticity of Aβ(1-16), and characterized the structures displayed by the peptide in aqueous medium and in membrane-mimicking medium. Furthermore, we examined the in vitro aging of Aβ(1-16) and identified the modified peptides. The Aβ(1-16)/Zn2+ complex was studied by CD, NMR and ESI-MS, allowing to propose a model for zinc binding to Aβ(1-16). Aβ(1-16) binds to zinc in a tetrahedral geometry, with H6, E11, H13 et H14 as zinc ligands. Furthermore, we showed that this binding modifies the in vitro aging profile of Aβ(1-16) and induces an agonist effect on the recognition of this region of Aβ by cognate antibodies. Two of the modified peptides produced upon in vitro aging, Aβ(1-16)-L-IsoAsp7 and Aβ(1-16)-D-Asp7, were characterized by NMR, illustrating a local change of the conformation in the H6-S8 region, as compared to Aβ(1-16), but no major conformational rearrangement. Zn2+ binding to Aβ(1-16)-L-IsoAsp7 appears to result from a different coordination motif, the IsoAsp residue being involved.Finally, a complementary investigation undertaken on Aβ(1-40) indicates that the presence of Zn2+ or of anti-Aβ antibodies raised against the N-terminal part of Aβ prevents Aβ fibrillogenesis and rather leads to the production of different types of aggregates. Our results suggest that the above mentioned interactions between the 1-16 N-terminal region of Aβ and either Zn2+ or anti-Aβ antibodies inhibit the fibrillogenesis of the full-length amyloid peptide.Les dépôts amyloïdes sont des dépôts fibrillaires extracellulaires associés à la maladie d'Alzheimer, dont le constituant principal est le peptide amyloïde (Aβ). La fibrillogenèse d'Aβ s'accompagne d'une transconformation du peptide, depuis une structure secondaire principalement en hélice au voisinage des membranes ou non structurée en milieu aqueux vers une structure en feuillet β. Cette transconformation est couplée à une oligomérisation. Les plaques amyloïdes renferment une quantité importante de cations métalliques, en particulier Zn2+, et le peptide amyloïde y est caractérisé par une grande hétérogénéité de sa partie N-terminale qui présente des troncations et des isomérisations/racémisations. Ces modifications et l'interaction d'Aβ avec les cations ont été proposées comme des facteurs contribuant à la déposition amyloïde.Afin de caractériser ces différents mécanismes moléculaires, nous avons examiné la région N-terminale 1-16 du peptide amyloïde, Aβ(1-16), qui apparaît impliquée dans l'interaction du peptide avec les cations métalliques et renferme plusieurs sites susceptibles de subir des modifications liées au vieillissement protéique. Du fait de son accessibilité au sein des fibrilles amyloïdes, ce domaine d'Aβ constitue une cible thérapeutique potentielle, notamment pour un traitement immunologique.Au cours de ce travail, nous avons mis en évidence la plasticité conformationnelle d'Aβ(1-16) par dichroïsme circulaire (DC) et RMN et nous avons caractérisé la structure qu'adopte ce peptide en milieu aqueux et en milieu mimant un environnement membranaire. Nous avons également identifié les formes produites par vieillissement in vitro. Le complexe Aβ(1-16)/Zn2+ a été examiné par DC, RMN et ESI-MS, ce qui a conduit à établir un modèle d'attachement du cation Zn(II) au peptide Aβ(1-16). Ce modèle implique une coordination tétraédrique de Zn(II), les résidus H6, E11, H13 et H14 étant identifiés comme ligands. Nous avons de plus montré que l'interaction Aβ(1-16)/Zn2+ modifie le profil de vieillissement protéique et exerce un effet agoniste sur la reconnaissance de la région 1-16 d'Aβ par des anticorps spécifiques. La conformation de deux peptides isomères issus du vieillissement d'Aβ(1-16), Aβ(1-16)-L-IsoAsp7 et Aβ(1-16)-D-Asp7 a été examinée par RMN. Un changement conformationnel local est observé dans la région H6-S8 par rapport à Aβ(1-16), mais pas de remaniement conformationnel global. L'étude de l'interaction Aβ(1-16)-L-IsoAsp7/Zn2+ par RMN a suggéré la participation du résidu IsoAsp7 à la coordination du cation Zn(II).Enfin, une étude complémentaire entreprise sur Aβ(1-40) a mis en évidence l'absence de fibrillogenèse du peptide en présence d'ions Zn2+ ou d'anticorps ciblant la région N-terminale d'Aβ, au profit de la formation de différents types d'agrégats. Ces résultats suggèrent que les différentes interactions établies entre la région N-terminale 1-16 d'Aβ et Zn2+ ou des anticorps anti-Aβ inhiberaient la fibrillogenèse du peptide amyloïde pleine longueur