БИОХИМИЯ, 2019, том 84, вып. 1, с. 128–137
УДК 577.322
Определение амилоидогенных участков, входящих в остов фибрилл инсулина
1 Институт белка РАН, 142290 Пущино, Россия; электронная почта: ogalzit@vega.protres.ru
2 Государственный научный центр прикладной микробиологии и биотехнологии, 142279 Оболенск, Россия; электронная почта: alan@vega.protres.ru
3 Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи Минздрава России, 123098 Москва, Россия
4 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119991 Москва, Россия; электронная почта: syugrishin@gmail.com
Поступила в редакцию 15.06.2018
После доработки 03.09.2018
Принята к публикации 03.09.2018
DOI: 10.1134/S0320972519010111
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: амилоид, амилоидогенные участки, FoldAmyloid, инсулин, кольцевые олигомеры, масс-спектрометрия, протеолиз белков.
Аннотация
Для обнаружения конформационных переходов, приводящих к образованию фибрилл инсулина, требуется определение амилоидогенных участков в структуре мономеров белка. Ранее были предложены различные модели фибриллогенеза инсулина, однако конкретные участки, отвечающие за формирование амилоидных фибрилл, не были определены. В настоящей работе с помощью биоинформатических программ предсказания амилоидогенных участков мы выявили несколько общих амилоидогенных последовательностей в структуре мономеров инсулина. Методами ограниченного протеолиза и масс-спектрометрического определения фрагментов белковой цепи, устойчивых к действию протеаз, мы обнаружили аминокислотные последовательности в структуре инсулина, предположительно входящие в остов фибрилл. Полученные результаты не противоречат ранее предложенной нами модели формирования фибрилл из кольцевых олигомеров и могут быть использованы для разработки аналогов инсулина, устойчивых к амилоидогенезу.
Текст статьи
Сноски
* Адресат для корреспонденции.
Финансирование
Работа выполнена при поддержке РНФ (грант № 18-14-00321). Масс-спектрометрические измерения проведены на базе оборудования ЦКП Института белка РАН.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Список литературы
1. Kelly, J.W. (1996) Alternative conformations of amyloidogenic proteins govern their behavior, Curr. Opin. Struct. Biol., 6, 11–17.
2. Dobson, C.M. (2001) Protein folding and its links with human disease, Biochem. Soc. Symp., 68, 1–26.
3. Галзитская О.В., Гарбузинский С.А., Лобанов М.Ю. (2006) Поиск амилоидогенных участков белковой цепи, Мол. биология, 40, 910–918.
4. Sipe, J.D., Benson, M.D., Buxbaum, J.N., Ikeda, S., Merlini, G., Saraiva, M.J., and Westermark, P. (2012) Amyloid fibril protein nomenclature: 2012 recommendations from the Nomenclature Committee of the International Society of Amyloidosis, Amyloid, 19, 167–170.
5. O’Donnell, C.W., Waldispuhl, J., Lis, M., Halfmann, R., Devadas, S., Lindquist, S., and Berger, B. (2011) A method for probing the mutational landscape of amyloid structure, Bioinformatics (Oxford, England), 27, 34–42.
6. Sanger, F., and Tuppy, H. (1951) The amino-acid sequence in the phenylalanyl chain of insulin. 1. The identification of lower peptides from partial hydrolysates, Biochem. J., 49, 463–481.
7. Sanger, F., and Tuppy, H. (1951) The amino-acid sequence in the phenylalanyl chain of insulin. 2. The investigation of peptides from enzymic hydrolysates, Biochem. J., 49, 481–490.
8. Waugh, D.F. (1941) The properties of protein fibers produced reversibly from soluble protein molecules, A. J. Physiol., 133, 484–485.
9. Klunk, W.E., Pettegrew, J.W., and Abraham, D.J. (1989) Quantitative evaluation of congo red binding to amyloid-like proteins with a β-pleated sheet conformation, J. Histochem. Cytochem., 37, 1273–1281.
10. Brange, J., Andersen, L., Laursen, E.D., Meyn, G., and Rasmussen, E. (1997) Toward understanding insulin fibrillation, J. Pharm. Sci., 86, 517–525.
11. Selivanova, O.M., Grishin, S.Yu., Glyakina, A.V., Sadgyan, A.S., Ushakova, N.I., and Galzitskaya, O.V. (2018) Analysis of insulin analogs and the strategy of their further development, Biochemistry (Moscow), 83, 146–162.
12. Baker, E.N., Blundell, T.L., Cutfield, J.F., Cutfield, S.M., Dodson, E.J., Dodson, G.G., Hodgkin, D.M.C, Hubbard, R.E., Isaacs, N.W., Reynolds, C.D, Sakabe, K., Sakabe, N., and Vijayan, N.M. (1988) The structure of 2Zn pig insulin crystals at 1.5 A resolution, Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci., 319, 369–456.
13. Cutfield, J.F., Cutfield, S.M., Dodson, E.J., Dodson, G.G., Emdin, S.F., and Reynolds, C.D. (1979) Structure and biological activity of hagfish insulin, J. Mol. Biol., 132, 85–100.
14. Frankаеr, C.G., Sonderby, P., Bang, M.B., Mateiu, R.V., Groenning, M., Bukrinski, J., and Harris, P. (2017) Insulin fibrillation: the influence and coordination of Zn2+, J. Struct. Biol., 199, 27–38.
15. Phillips, N.B., Whittaker, J., Ismail-Beigi, F., and Weiss, M.A. (2012) Insulin fibrillation and protein design: topological resistance of single-chain analogs to thermal degradation with application to a pump reservoir, J. Diabetes Sci. Technol., 6, 277–288.
16. Nielsen, L., Frokjaer, S., Brange, J., Uversky, V.N., and Fink, A.L. (2001) Probing the mechanism of insulin fibril formation with insulin mutants, Biochemistry, 40, 8397–8409.
17. Ahmad, A., Millett, I.S., Doniach, S., Uversky, V.N., and Fink, A.L. (2003) Partially folded intermediates in insulin fibrillation, Biochemistry, 42, 11404–11416.
18. Vestergaard, B., Groenning, M., Roessle, M., Kastrup, J.S., Weert, M., Flink, J.M., Frokjaer, S., Gajhede, M., and Svergun, D.I. (2007) A helical structural nucleus is the primary elongating unit of insulin amyloid fibrils, PLoS Biol., 5, 134–146.
19. Jimenez, J.L., Nettleton, E.J., Bouchard, M., Robinson, C.V., Dobson, C.M., and Saibil, H.R. (2002) The protofilament structure of insulin amyloid fibrils, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 99, 9196–9201.
20. Kajava, A.V., Baxa, U., and Steven, A.C. (2010) в arcades: recurring motifs in naturally occurring and disease-related amyloid fibrils, FASEB J., 24, 1311–1319.
21. Selivanova, O.M., Suvorina, M.Y., Surin, A.K., Dovidchenko, N.V., and Galzitskaya, O.V. (2017) Insulin and lispro insulin: what is common and different in their behavior? Curr. Protein Pept. Sci., 18, 57–64.
22. Meersman, F., and Dobson, C.M. (2006) Probing the pressure-temperature stability of amyloid fibrils provides new insights into their molecular properties, Biochim. Biophys. Acta, 1764, 452–460.
23. Malisauskas, M., Weise, C., Yanamandra, K., Wolf-Watz, M., and Morozova-Roche, L. (2010) Lability landscape and protease resistance of human insulin amyloid: a new insight into its molecular properties, J. Mol. Biol., 396, 60–74.
24. Kheterpal, I., Williams, A., Murphy, C., Bledsoe, B., and Wetzel, R. (2001) Structural features of the Aβ amyloid fibril elucidated by limited proteolysis, Biochemistry, 40, 11757–11767.
25. Piejko, M., Dec, R., Babenko, V., Hoang, A., Szewczyk, M., Mak, P., and Dzwolak, W. (2015) Highly amyloidogenic two-chain peptide fragments are released upon partial digestion of insulin with pepsin, J. Biol. Chem., 290, 5947–5958.
26. Surin, A.K., Grigorashvili, E.I., Suvorina, M.Y., Selivanova, O.M., and Galzitskaya, O.V. (2016) Determination of regions involved in amyloid fibril formation for Aβ(1–40) peptide, Biochemistry (Moscow), 81, 762–769.
27. Selivanova, O.M., Suvorina, M.Y., Dovidchenko, N.V., Eliseeva, I.A., Surin, A.K., Finkelstein, A.V., Schmatchenko, V.V., and Galzitskaya, O.V. (2014) How to determine the size of folding nuclei of protofibrils from the concentration dependence of the rate and lag-time of aggregation. II. Experimental application for insulin and LysPro insulin: aggregation morphology, kinetics, and sizes of nuclei, J. Phys. Chem. B, 118, 1198–1206.
28. Porter, R.R. (1953) Partition chromatography of insulin and other proteins, Biochem. J., 53, 320–328.
29. Garbuzynskiy, S.O., Lobanov, M.Y., and Galzitskaya, O.V. (2010) FoldAmyloid: a method of prediction of amyloidogenic regions from protein sequence, Bioinformatics, 26, 326–332.
30. Ahmed, A.B., Znassi, N., Chateau, M.-T., and Kajava, A.V. (2015) A structure-based approach to predict predisposition to amyloidosis, Alzheimers Dement., 11, 681–690.
31. Trovato, A., Seno, F., and Tosatto, S.C.E. (2007) The PASTA server for protein aggregation prediction, Protein Eng. Des. Sel., 20, 521–523.
32. Walsh, I., Seno, F., Tosatto, S.C.E., and Trovato, A. (2014) PASTA 2.0: an imroved server for protein aggregation prediction, Nucleic Acids Res., 42, W301–W307.
33. Maurer-Stroh, S., Debulpaep, M., Kuemmerer, N., Lopez de la Paz, M., Martins, I.C., Reumers, J., Morris, K.L., Copland, A., Serpell, L., Serrano, L., Schymkowitz, J.W.H., and Rousseau, F. (2010) Exploring the sequence determinants of amyloid structure using position-specific scoring matrices, Nat. Methods, 7, 237–242.
34. Conchillo-Sole, O., de Groot, N.S., Aviles, F.X., Vendrell, J., Daura, X., and Ventura, S. (2007) AGGRESCAN: a server for the prediction and evaluation of “hot spots” of aggregation in polypeptides, BMC Bioinformatics, 8, 1–17.
35. Zurdo, J., Guijarro, J.I., and Dobson, C.M. (2001) Preparation and characterization of purified amyloid fibrils, J. Am. Chem. Soc., 123, 8141–8142.
36. Galzitskaya, O.V., and Selivanova, O.M. (2017) Rosetta stone for amyloid fibrils: the key role of ring-like oligomers in amyloidogenesis, J. Alzheimers Dis., 59, 785–795.
37. Olsen, J.V., Ong, S.E., and Mann, M. (2004) Trypsin cleaves exclusively C-terminal to arginine and lysine residues, Mol. Cell. Proteomics, 3, 608–614.
38. Appel, W. (1986) Chymotrypsin: molecular and catalytic properties, Clin. Biochem., 19, 317–322.
39. Kraus, E., Kiltz, H.H., and Femfert, U.F. (1976) The specificity of proteinase K against oxidized insulin B chain, Hoppe-Seyler’s Z. Physiol. Chem., 357, 233–237.
40. Morihara, K., and Tszuki, H. (1975) Specificity of proteinase K from Tritirachium album limber for synthetic peptides, Agricult. Biol. Chem., 39, 1489–1492.
41. Polverino de Laureto, P., Taddei, N., Frare, E., Capanni, C., Costantini, S., Zurdo, J., Chiti, F., Dobson, C.M., and Fontana, A. (2003) Protein aggregation and amyloid fibril formation by an SH3 domain probed by limited proteolysis, J. Mol. Biol., 334, 129–141.
42. Selivanova, O.M., and Galzitskaya, O.V. (2012) Structural polymorphism and possible pathways of amyloid fibril formation on the example of insulin protein, Biochemistry (Moscow), 77, 1237–1247.