Amyloidogenesis refers to a process of protein misfolding and aggregation that leads to the formation of highly stable amyloid fibers. Amyloidogenesis may lead to loss of physiological protein function and/or formation of toxic intermediates, which are linked to mutliple human diseases. Amyloidogenesis is inhibited by plasma proteins, which function as extracellular chaperones by binding to stressed and misfolded proteins, including amyloidogenic peptides, and preventing their aggregation. This thesis focuses on the ability of human serum albumin (HSA), the main protein in human plasma, to inhibit amyloidogenesis, with emphasis on the molecular nature of the interactions between HSA and the amyloid β peptide (Aβ) associated with Alzhemier’s disease. HSA is as a key amyloidogenic regulator, a novel function for this protein that goes beyond the traditional HSA roles as plasma osmotic pressure regulator and as binder and carrier of endogenous and exogenous low molecular weight ligands. As a first step towards understanding the detailed molecular nature of these interactions, this thesis will focus on defining the key binding determinants in the interaction between HSA and Aβ peptides. Primarily, we will try to answer two main questions. First, which HSA residues are critical for the recognition of Aβ peptides and the prevention of Aβ aggregation? Second, which Aβ residues are mostly affected by HSA binding? Starting form our knowledge about the stoichiometry and affinity of the Aβ interactions at the level of HSA domains, Chapter 2 addresses the first question through successful applications of a reductionist approach, based on a combination of mutational comparative analyses and fatty acid (FA) competition. This strategy allowed us to identify a short HSA derived peptide that specifically recognizes Aβ and prevents its aggregation. In Chapter 3, we examine the effect of HSA on the pseudo-equilibrium state between Aβ monomers and protofibrils. Using Dark state Exchange Saturation Transfer (DEST), Saturation Transfer Difference (STD) and 15N T2 relaxation experiments, we show that Aβ peptides interact with HSA via a dual mechanism. First, selected residues in Aβ (1-40) monomers bind specifically but weakly to HSA (Kd = 0.1 - 1 mM). Second, HSA competes with Aβ monomers for the binding to the protofibrils, as indicated by an HSA-dependent decrease in the direct vs. tethered probabilities for contacts between Aβ monomer residues and the protofibril surface. The effect of HSA mimics that of dilution for the majority of the Aβ (1-40) residues involved in the cross-beta strands of amyloid fibrils. Finally, Chapter 4 will outline future investigations to address currently open questions about HSA dynamics, HSA-Aβ and HSA-FA interactions, for which we acquired preliminary data. / Thesis / Master of Science (MSc)

La maladie d'Alzheimer est caractérisée par la présence de dégénérescences neurofibrillaires et l'accumulation de plaques amyloïdes dans le cerveau. Ces plaques contiennent principalement un peptide nommé amyloïde-β (Aβ) sous forme agrégée. Le processus d'agrégation des peptides Aβ en plaques amyloïdes représente une étape clé dans l'apparition de la pathologie, la coordination du cuivre, et également du zinc, favorisant la formation d'espèces agrégées impliquées dans la neurotoxicité. Notre objectif consiste à concevoir des complexes bifonctionnels avec d'une part un analogue de la Thioflavine T (ThT) et d'autre part un complexe de Ru(II), ce travail de thèse s'articule donc selon ces deux axes. I- Nous nous sommes d'abord intéressés à l'interaction entre le peptide Aβ et la Thioflavine T (ThT), fluorophore classiquement utilisé pour étudier l'agrégation du peptide Aβ. Cette interaction a été étudiée principalement par spectroscopie RMN. Les résultats obtenus ont permis d'identifier le site d'interaction de la ThT au peptide Aβ. Par la suite, les effets de la ThT et du Zn(II) sur l'agrégation du peptide Aβ ont été évalués en combinant la RMN et la spectroscopie de fluorescence. A partir des données obtenues, nous avons montré que la ThT et le Zn(II) ne sont pas inertes sur la cinétique d'agrégation du peptide Aβ. Les résultats ont également révélé des différences importantes concernant les informations apportées par la fluorescence et la RMN. II- La coordination du cuivre et du zinc implique principalement les noyaux imidazoles des résidus histidines. Afin d'empêcher la coordination de ces ions métalliques aux peptides Aβ, une stratégie thérapeutique innovante consiste en l'utilisation de complexes platinoïdes comportant des sites labiles et capables de se lier aux résidus histidines du Aβ. En raison de la toxicité des complexes de Pt(II), nous avons envisagé la synthèse de complexes de Ru(II), principalement basés sur le motif fac-Ru(CO)32+. Différents complexes avec des ligands de type glycinate, hydroxyquinolinate et éthylenediamine ont été synthétisés. L'étude de leur interaction avec le peptide Aβ a été réalisée par différentes techniques spectroscopiques (RMN, RPE, fluorescence, spectrométrie de masse). Les résultats obtenus ont montré, en particulier, que les complexes sont capables d'inhiber l'agrégation du peptide Aβ induite par le zinc. / The Alzheimer's disease is characterized by the presence of neurofibrillary tangles and amyloid plaques in the brain. These plaques are formed by aggregated amyloid-β (Aβ) peptide. The Aβ aggregation represents a key event in the appearance of the pathology, copper and zinc coordination favoring the formation of aggregated species involved in the neurotoxicity. Our objective consists in designing bifonctional complexes with, on one hand, a Thioflavine T (ThT) analog and, on the other hand, a Ru(II) complex : this thesis is thus centered around these two axes. I- In this context, we first investigated the interaction between Aβ and ThT, which is a classical dye commonly used to study the aggregation process. This interaction was mainly studied by NMR spectroscopy. Our first results allowed us to identify the interaction site of the ThT with the Aβ peptide. Then, the ThT and Zn(II) effects on the aggregation process were assessed by NMR and fluorescence spectroscopy. From the obtained data, we showed that ThT and Zn (II) are involved in the aggregation kinetic. The results also revealed important differences concerning the information brought by fluorescence and NMR. II- Copper and zinc coordination mainly implies imidazole ring of the histidine residues. In order to prevent the coordination of these metallic ions to Aβ, an innovative therapeutic strategy consists of the use of platinoid complexes containing labile sites which are able to bind the Aβ histidine residues. Because of Pt(II) complexes toxicity, we envisaged the synthesis of Ru(II) complexes, mainly based on fac-Ru(CO)32+ motive. Different complexes with glycinate, hydroxyquinolinate or ethylenediamine ligand were synthesized. The study of their interaction with the Aβ peptide was realized by various spectroscopy techniques (RMN, RPE, fluorescence, mass spectrometry and demonstrated that the complexes are able to prevent the Aβ aggregation induced by zinc.

Chiu, Wai Yin Vivien. / Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2013. / Includes bibliographical references (leaves 151-162). / Electronic reproduction. Hong Kong : Chinese University of Hong Kong, [2012] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web. / Abstracts also in Chinese.

Aggregation of the Amyloid β (Aβ) peptide to amyloid fibrils is associated with the outbreak of Alzheimer’s disease. Early aggregation intermediates in form of soluble oligomers are of special interest as they are believed to be the major toxic components in the process. These oligomers are of disordered and transient nature. Therefore, their detailed molecular structure is difficult to access experimentally and often remains unknown. In the present work extensive, fully atomistic replica exchange molecular dynamics simulations were performed to study the preaggregated, monomer states and early aggregation intermediates (dimers, trimers) of Aβ(25-35) and Aβ(10-35)-NH2 in aqueous solution. The folding and aggregation of Aβ(25-35) were studied at neutral pH and 293 K. Aβ(25-35) monomers mainly adopt β-hairpin conformations characterized by a β-turn formed by residues G29 and A30, and a β-sheet between residues N27–K28 and I31–I32 in equilibrium with coiled conformations. The β-hairpin conformations served as initial configurations to model spontaneous aggregation of Aβ(25-35). As expected, within the Aβ(25-35) dimer and trimer ensembles many different poorly populated conformations appear. Nevertheless, we were able to distinguish between disordered and fibril-like oligomers. Whereas disordered oligomers are rather compact with few intermolecular hydrogen bonds (HBs), fibril-like oligomers are characterized by the formation of large intermolecular β-sheets. In most of the fibril-like dimers and trimers individual peptides are fully extended forming in- or out-of-register antiparallel β-sheets. A small amount of fibril-like trimers contained V-shaped peptides forming parallel β-sheets. The dimensions of extended and V-shaped oligomers correspond well to the diameters of two distinct morphologies found for Aβ(25-35) fibrils. The transition from disordered to fibril-like Aβ(25-35) dimers is unfavorable but driven by energy. The lower energy of fibril-like dimers arises from favorable intermolecular HBs and other electrostatic interactions which compete with a loss in entropy. Approximately 25 % of the entropic cost correspond to configurational entropy. The rest relates to solvent entropy, presumably caused by hydrophobic and electrostatic effects. In contrast to the transition towards fibril-like dimers the first step of aggregation is driven by entropy. Here, we compared structural and thermodynamic properties of the individual monomer, dimer and trimer ensembles to gain qualitative information about the aggregation process. The β-hairpin conformation observed for monomers is successively dissolved in dimer and trimer ensembles while instead intermolecular β-sheets are formed. As expected upon aggregation the configurational entropy decreases. Additionally, the solvent accessible surface area (SASA), especially the hydrophobic SASA, decreases yielding a favorable solvation free energy which overcompensates the loss in configurational entropy. In summary, the hydrophobic effect, possibly combined with electrostatic effects, yields an increase in solvent entropy which is believed to be one major driving force towards aggregation. Spontaneous folding of the Aβ(10-35)-NH2 monomer was modeled using two force fields, GROMOS96 43a1 and OPLS/AA, and compared to primary NMR data collected at pH 5.6 and 283 K taken from the literature. Unexpectedly, the two force fields yielded significantly different main conformations. Comparison between experimental and calculated nuclear Overhauser effect (NOE) distances is not sufficient to distinguish between the different force fields. Additionally, the comparison with scalar coupling constants suggest that the chosen protonation in both simulations corresponds to a pH lower than in the experiment. Based on this analysis we were unable to determine which force field yields a better description of this system. Dimerization of Aβ(10-35)-NH2 was studied at neutral pH and 300 K. Dimer conformations arrange in many distinct, poorly populated and rather complex alignments or interlocking patterns which are rather stabilized by side chain interactions than by specific intermolecular hydrogen bonds. Similar to Aβ(25-35) dimers, transition towards β-sheet-rich, fibril-like Aβ(10-35) dimers is driven by energy competing with a loss in entropy. Here, transition is mediated by favorable peptide-solvent and solvent-solvent interactions mainly arising from electrostatic interactions. / Die Aggregation des Amyloid β (Aβ) Peptids zu Amyloidfibrillen wird mit dem Ausbruch der Alzheimer Krankheit in Verbindung gebracht. Die toxische Wirkung auf Zellen wird vor allem den zeitigen Intermediaten in Form von löslichen Oligomeren zugeschrieben. Aufgrund deren ungeordneter und flüchtiger Natur kann die molekulare Struktur solcher zeitigen Oligomere oft experimentell nicht aufgelöst werden. In der vorliegenden Arbeit wurden aufwendige atomistische Replica-Exchange-Molekulardynamik-Simulationen durchgeführt, um die molekulare Struktur von Monomeren und Oligomeren der Fragmente Aβ(25-35) und Aβ(10-35)-NH2 in Wasser zu untersuchen. Die Faltung und Aggregation von Aβ(25-35) wurde bei neutralem pH und 293 K untersucht. Monomere dieses Fragments bilden hauptsächlich β-Haarnadelkonformationen im Gleichgewicht mit Knäulstrukturen. Innerhalb der β-Haarnadelkonformationen bilden die Residuen G29 und A30 einen β-turn, während N27–K28 and I31–I32 ein β-Faltblatt bilden. Diese β-Haarnadelkonformationen bildeten den Ausgangspunkt zur Modellierung spontaner Aggregation. Wie zu erwarten, bilden sich eine Vielzahl verschiedener, gering besetzter Dimer- und Trimerkonformationen. Mit Hilfe einer gröberen Einteilung können diese in ungeordnete und fibrillähnliche Oligomere unterteilt werden. Ungeordnete Oligomere bilden kompakte Strukturen, die nur durch wenige intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen (HBB) stabilisiert sind. Typisch für fibrillähnliche Oligomere ist hingegen die Ausbildung großer intermolekularer β-Faltblätter. In vielen dieser Oligomere finden wir antiparallele, in- oder out-of-register β-Faltblätter gebildet durch vollständig ausgestreckte Peptide. Ein kleiner Teil der fibrillähnlichen Trimere bildet parallele, V-förmige β-Faltblätter. Die Ausdehnungen ausgestreckter und V-förmiger Oligomere entspricht in etwa den Durchmessern von zwei verschiedenen, experimentell gefundenen Fibrillmorphologien für Aβ(25-35). Die Umwandlung von ungeordneten zu fibrillähnlichen Aβ(25-35) Dimeren ist energetisch begünstigt, läuft aber nicht freiwillig ab. Fibrillähnliche Dimere haben eine geringere Energie aufgrund günstiger Peptidwechselwirkungen (HBB, Salzbrücken), welche durch den Verlust an Entropie kompensiert wird. Etwa 25 % entsprechen dem Verlust an Konfigurationsentropie. Der restliche Anteil wird einem Verlust an Lösungsmittelentropie aufgrund von hydrophoben und elektrostatischen Effekten zugesprochen. Im Gegensatz zur Umwandlung in fibrillähnliche Dimere, ist die Assoziation von Monomeren oder Oligomeren entropisch begünstigt. Beim Vergleich thermodynamischer Eigenschaften der Monomer-, Dimer- und Trimersysteme zeigt sich im Verlauf der Aggregation, wie erwartet, eine Abnahme der Konfigurationsentropie. Zusätzlich nimmt die dem Lösungsmittel zugängliche Oberfläche (SASA), insbesondere die hydrophobe SASA, ab. In Verbindung damit beobachten wir eine Abnahme der freien Solvatisierungsenergie, welche den Verlust an Konfigurationsentropie kompensiert. Mit anderen Worten, der hydrophobe Effekt in Kombination mit elektrostatischen Wechselwirkungen führt zu einem Ansteigen der Lösungsmittelentropie und begünstigt damit die Aggegation. Die spontane Faltung des Aβ(10-35)-NH2 Monomers wurde für zwei verschiedene Proteinkraftfelder, GROMOS96 43a1 und OPLS/AA, untersucht und mit primären NMR-Daten aus der Literatur, gemessen bei pH 5.6 und 283 K, verglichen. Beide Kraftfelder generieren unterschiedliche Hauptkonformationen. Der Vergleich zwischen experimentellen und berechneten Kern-Overhauser-Effekt (NOE) Abständen ist nicht ausreichend, um zwischen beiden Kraftfeldern zu unterscheiden. Der Vergleich mit Kopplungskonstanten aus Experiment und Simulation zeigt, dass beide Simulationen einem pH-Wert geringer als 5.6 ensprechen. Basierend auf den bisherigen Ergebnissen können wir nicht entscheiden, welches Kraftfeld eine bessere Beschreibung für dieses System liefert. Die Dimerisierung von Aβ(10-35)-NH2 wurde bei neutralem pH und 300 K untersucht. Wir finden eine Vielzahl verschiedener, gering besetzter Dimerstrukturen, welche eher durch Seitenkettenkontakte als durch spezifische HBB stabilisiert sind. Wie bei den Aβ(25-35) Dimeren, ist die Umwandlung zu β-Faltblattreichen, fibrillähnlichen Aβ(10-35) Dimeren energetisch begünstigt, konkurriert aber mit einem Entropieverlust. Die Umwandlung wird in diesem Fall durch elektrostatische Wechselwirkungen zwischen Peptid und Lösungsmittel und innerhalb des Lösungsmittels bestimmt.

Dissertation (Ph.D.)--University of South Florida, 2008. / Includes vita. Includes bibliographical references.

Thesis (Ph.D.)--University of South Florida, 2004. / Includes vita. Includes bibliographical references (leaves 144-164).

Plaques of amyloid β peptide (Aβ) are a hallmark trait of Alzheimer’s disease (AD). However, the precise role of Aβ aggregates is not well understood. Recent studies have identified that naturally occurring N-terminal truncation and pyroglutamylation of Aβ significantly increases its neurotoxicity by an unknown mechanism. Content of pyroglutamylated Aβ (pE-Aβ) in AD brains has been shown to reach up to 50% of total Aβ. Modified pE-Aβ co-aggregates with Aβ by a seeding mechanism and forms structurally distinct and highly toxic oligomers. We studied structural transitions of the full-length Aβ1-42, its pyroglutamylated form AβpE3-42, their 9:1 (Aβ1-42/AβpE3-42) and 1:1 molar combinations. Transmission electron microscopy was used to directly visualize the fibrils of the samples in a buffer mimicking physiological environment. Atomic force microscopy measurements were done to determine rate of second nucleation events in fibrils. Thioflavin-T fluorescence indicated that low ionic strength suppressed the aggregation of AβpE3-42 but promoted that of Aβ1-42, suggesting different paths of fibrillogenesis of unmodified Aβ and pE- Aβ. Interestingly, AβpE3-42 at only 10% significantly facilitated the fibrillization of Aβ1-42 at near-physiological ionic strength but had little effect at low salt. Circular dichroism and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy were used to characterize the structural transitions during fibrillogenesis. In aqueous buffer, both unmodified Aβ and pE-Aβ peptides adopted parallel intermolecular β-structure. Interestingly, AβpE3-42 contained lower β-sheet content than 13C-Aβ1-42, while retaining significantly larger fractions of α-helical and turn structures. Structural details of Aβ and pE-Aβ combinations were unveiled by isotope-edited FTIR spectroscopy, using 13C-labeled Aβ1-42 and unlabeled AβpE3-42. When exposed to environmental humidity, AβpE3-42 not only maintained an increased fraction of α-helix but also was able to reverse 13C-Aβ1-42 β-sheet structure. These data provide a novel structural mechanism for pE-Aβ hypertoxicity; pE-Aβ undergoes faster nucleation due to its increased hydrophobicity, thus promoting formation of smaller, hypertoxic oligomers of partial α-helical structure.

Das Peptid Amyloid-beta wird seit vielen Jahren mit der Alzheimer''schen Demenz in Verbindung gebracht, aber die Verbindung zwischen dem Peptid und der Herkunft der Symptome bleibt unklar. Eine neue Hypothese besagt, dass Wechselwirkungen von Mono- oder Oligomeren des Amyloid-beta mit neuronalen Zellmembranen zu Veränderungen der Membran-Doppelschichtsruktur führen und Störungen dynamischer Prozesse in den Membranen verursachen können. Mit Methoden der Röntgen- und Neutronenstreuung wurden die Struktur und Dynamik von Modellmembranen und Änderungen durch den Einfluss des Peptids Amyloid-beta auf die Modellmembranen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Monomere des Peptidfragments Amyloid-beta 22-40 in anionische Lipidmembranen eingebaut werden. Mittels quasielastischer-inkohärenter Neutronenstreuung wurde die Dynamik von Lipidmembran untersucht. Ein Anteil von 1,5 mol % Amyloid-beta 22-40 in einer Lipidmembran bei 30°C verursacht eine Verringerung der Diffusionskoeffizienten sowohl der Schwerpunktbewegung der Lipide im ns-Bereich als auch der Dynamik der Fettsäurereste im ps-Bereich. Andererseits wird in der Gelphase der Lipidmembran bei 15°C ein Anstieg der Diffusionskoeffizienten beider Prozesse beobachtet. Eine Serie von Lipidproben mit unterschiedlichem Cholesteringehalt und eingelagerten Peptiden Amyloid-beta 1-42 und Amyloid-beta 22-40 wurde Mittels Röntgendiffraktion charakterisiert. Für das Peptid Amyloid-beta 22-40 wurden zwei Positionen gefunden, eine auf der Oberfläche der Membran, eine zweite in der Membran eingelagert. Das Peptid Amyloid-beta 1-42 ist teilweise in die Membran eingelagert und ist in einer 40 mol % Cholesteringehaltige Membrane durch eine einzelne Position modelliert. Zusätzlich wird der Entwurf und die Inbetriebnahme der BerILL Feuchtekammer beschrieben. / The peptide amyloid-beta has long been associated with Alzheimer’s disease; however the link between the peptide and the origin of symptoms is poorly understood. An emerging hypothesis is that monomeric and oligomeric forms of the peptide interact with neuronal membranes, resulting in perturbations in the bilayer structure and in the dynamic processes which take place in the bilayer. Using X-ray and neutron scattering techniques, the structure and dynamics of model lipid membranes and the changes which arise in the presence of amyloid-beta peptide fragments have been studied. Monomers of the peptide fragment amyloid-beta 22-40 were found to intercalate into an anionic lipid bilayer. Through quasi-elastic neutron scattering, dynamics of bilayer lipids were observed. The presence of 1.5 mol % of the peptide results in a decrease in the diffusion coefficients for lipid centre of mass motion on the nanosecond time-scale, as well as for the lipid tail dynamics on the picosecond scale at 30°C. On the other hand, in the gel-phase of the lipid, at 15°C, an increase in the diffusion coefficients for both of these processes was observed. A series of samples with various cholesterol content and either the amyloid-beta 22-40 peptide fragment or the amyloid-beta 1-42 full length peptide was characterized using X-ray diffraction. The amyloid-beta 22-40 peptide was found to populate two positions, on the surface and embedded in the bilayer. The amyloid-beta 1-42 peptide embeds itself into the membrane, and is modelled by a single population for high cholesterol levels (40 mol % cholesterol). In addition, the design and commissioning of the BerILL humidity chamber, a sample environment with precise temperature and humidity control compatible with neutron scattering experiments is presented.

Diss. (sammanfattning) Stockholm : Karolinska institutet, 2007. / Härtill 4 uppsatser.

La maladie d'Alzheimer (AD) est un désordre neurodégénératif progressif et la forme la plus commune de démence. A l’heure actuelle, il n'y a aucun remède et la maladie est toujours fatale. Une des caractéristiques histopathologiques de l'AD est la présence de dépôts protéiques, les plaques amyloïdes, dans le cerveau. Ces plaques sont formées par les peptides amyloïdes β (Aβ) de 40 et 42 résidus, qui sont les produits de clivage par des protéases de la protéine précurseur de l’amyloïde (l'APP). L'élucidation de certains des processus clés dans la cause et le développement de l'AD est une étape cruciale pour le développement de traitements nouveaux et efficaces.<p><p>Les propriétés conformationnelles du segment transmembranaire (TM) de l’APP peuvent affecter sa protéolyse par la γ-sécrétase. Ces propriétés ne sont pas encore clairement établies. Afin de comprendre le rôle des variations structurelles du TM dans le traitement de l'APP, des détails structurels des peptides APP_TM4K, chimiquement synthétisés, ont été étudiés dans la bicouche lipidique en utilisant la réflexion totale atténuée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (ATR-FTIR) et la résonance magnétique nucléaire à l’état solide (ssNMR). Tandis que la structure secondaire globale du peptide APP_TM4K est hélicoidale, une hétérogénéité conformationnelle et orientée a été observée pour le site de clivage γ et, dans une plus faible mesure, pour le site de clivage ζ. Ces variabilités conformationnelles autour des sites de clivage γ et ζ peuvent avoir des implications importantes dans le mécanisme de clivage et donc dans la production d’Aβ. Il a été aussi démontré que la dernière glycine dans le motif de dimérisation GxxxG est transmembranaire. Ceci peut impliquer que la dimérisation via ce motif pourrait servir d’ancrage et conférer une orientation transmembranaire stable au segment transmembranaire de l’APP.<p><p>Le peptide amyloïde β est directement lié à la maladie d’Alzheimer. Partant de sa forme monomérique, l’Aβ s'agrège pour produire en final des fibrilles et aussi de manière transitoire toute une gamme d'oligomères, ces derniers étant la plupart neurotoxiques. Une dérégulation de l’homéostasie du Ca2+ dans le cerveau vieillissant et dans des troubles neurodégénératifs joue un rôle crucial dans de nombreux processus et contribue au dysfonctionnement et à la mort cellulaire. Nous avons postulé que le calcium peut permettre ou accélérer l'accumulation d'Aβ. Le modèle d'accumulation d'Aβ (1-40) et celui d'Aβ (1-40) E22G, un peptide amyloïde portant la mutation arctique qui cause une apparition prématurée de la maladie, ont été comparé. Nous avons constaté qu'en présence de Ca2+, l’Aβ (1-40) forme de préférence des oligomères semblables à ceux formés par l’Aβ (1-40) E22G avec ou sans Ca2+, tandis qu'en absence de Ca2+ l'Aβ (1-40) s’agrège sous forme de fibrilles. Les ressemblances morphologiques entre oligomères ont été confirmées par microscopie de force atomique. La distribution des oligomères et des fibrilles dans des échantillons différents a été détectée par électrophorèse sur gel suivie d’une analyse par Western blot, dont les résultats ont été confirmés par des expériences de fluorescence à la thioflavine T. Dans les échantillons sans Ca2+, l’ATR-FTIR révèle la conversion des oligomères en feuillets β antiparallèles en la conformation caractéristique des fibrilles en feuillets β parallèles. En général, ces résultats nous ont ameré à conclure que les ions calcium stimulent la formation d'oligomères d'Aβ (1-40), qui sont impliqués dans la pathogénèse d'AD.<p><p>Malgré les progrès énormes obtenus dans la compréhension de la maladie (AD), il reste un défi majeur, celui du développement de médicaments nouveaux et efficaces. Afin d’obtenir des éclaircissements sur le mécanisme d'action de deux nouveaux puissants modulateurs de la γ-sécrétase - le benzyl-carprofen et le sulfonyl-carprofen dans la bicouche lipidique, la technique de RMN à l’état solide a été employée. Précédemment, les dérivés du carprofen ont été localisés dans des membranes de lipides par des expériences de diffusion (scattering) des neutrons. Les contraintes déterminées à partir des expériences de ssNMR ont permis d’affiner leurs positions et d’obtenir une orientation précise dans la double couche lipidique. Ces résultats combinés indiquent que le mécanisme probable de modulation du clivage par la γ-sécrétase est une interaction directe des carprofènes avec le domaine TM de l’APP. Une telle interaction, empêcherait à la formation de dimères d'APP, dimérisation nécessaire au clivage séquentiel par la γ-sécrétase, diminuant ou réduisant ainsi énormément la production d’Aβ, tout particulièrement d’Aβ42.<p><p>Les résultats de ce travail apporte de nouvelles informations sur les processus clés impliqués dans l'AD; Production de l'Aβ à partir de l'APP, formation des oligomères d'Aβ et mécanisme d'action potentiel de molécules thérapeutiques. Nous pensons que ces résultats pourront permettre une meilleure compréhension de la maladie et pourront aider dans la conception de nouveaux médicaments contre cette maladie.<p><p>Alzheimer’s disease (AD) is a progressive neurodegenerative disorder and the most common form of dementia. There is no cure and the disease is fatal. One of the characteristic histopathological markers of AD is the presence of proteinaceous deposits, amyloid plaques, in the brain. These plaques are formed by the amyloid β-peptides (Aβ) 40- and 42-residue-long, which are protease cleavage products of the amyloid precursor protein (APP). Elucidation of some of the key processes in the cause and the development of AD is crucial for the development of new and efficient treatments.<p><p>Conformational properties of the transmembrane (TM) segment of APP may affect its proteolytic processing by γ-secretase. These properties have not been definitely established. In addressing the role of structural variations of the TM sequence in APP processing, structural details of the chemically synthesized APP_TM4K peptides within the membrane bilayers were studied using Attenuated total reflection Fourier transform spectroscopy (ATR-FTIR) and solid-state nuclear magnetic resonance (ssNMR) techniques. While the overall secondary structure of the APP_TM4K peptide is an α-helix, conformational and orientational heterogeneity was observed for the γ-cleavage site and, to a smaller extent, for the ζ-cleavage site. Evidence for the conformational variability around γ- and ζ-cleavage sites may have important implications for the cleavage mechanism and hence for the Aβ production. It was also found that the last glycine within the sequence of GxxxG motifs is in the transmembrane orientation, implying that dimerization via these motifs may act as an anchor, confining the TM dimer to the stable transmembrane orientation. <p><p>Amyloid β-peptide is directly linked to AD. Starting from its monomeric form, Aβ aggregates into fibrils and / or oligomers, the latter being the most neurotoxic. Dysregulation of Ca2+ homeostasis in aging brains and in neurodegenerative disorders plays a crucial role in numerous processes and contributes to cell dysfunction and death. Here we postulated that calcium may enable or accelerate the aggregation of Aβ. The aggregation pattern of Aβ(1-40) and of Aβ(1-40)E22G, an amyloid peptide carrying the Arctic mutation that causes early onset of the disease, were compared. We found that in the presence of Ca2+, Aβ(1-40) preferentially formed oligomers similar to those formed by Aβ(1-40)E22G with or without added Ca2+, whereas in the absence of added Ca2+ the Aβ(1-40) aggregated to form fibrils. Morphological similarities of the oligomers were confirmed by contact mode atomic force microscopy (AFM) imaging. The distribution of oligomeric and fibrillar species in different samples was detected by gel electrophoresis and Western blot analysis, the results which were further supported by thioflavin T fluorescence experiments. In the samples without Ca2+, Fourier transform infrared spectroscopy revealed conversion of oligomers from an anti-parallel β-sheet to the parallel β-sheet conformation characteristic of fibrils. Overall, these results led us to conclude that calcium ions stimulate the formation of oligomers of Aβ(1-40), that have been implicated in the pathogenesis of AD. <p><p>Despite the tremendous progress in understanding AD, there remains the challenge of the development of new and efficient drugs. In order to shed light onto the mechanism of action of two new potent γ-secretase modulators -- benzyl-carprofen and sulfonyl-carprofen within lipid bilayers, ssNMR technique was employed. Using neutron scattering experiments it was previously found that sulfonyl-carprofen and benzyl-carprofen partition into the headgroup region of the lipid bilayer. The orientational constraints derived from the ssNMR experiments refined their position into precise orientation. Combined, these results indicate that carprofen-derivatives can directly interact with the region of APP that mediates dimerization. Such interaction, would interfere with proper APP-dimer formation, which is necessary for the sequential cleavage by γ-secretase, diminishing or greatly reducing Aβ42 production.<p><p>Results obtained during this work shed new light onto some of the key processes in AD: Aβ production from APP, formation of Aβ oligomers and insights into the mechanism of action of potential therapeutics. We believe that these results will promote a better understanding of the disease and will help in future drug design.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished