野生型α-シヌクレインと変異体は、凝集の初期段階でさまざまな無秩序な二量体と前原線維構造で発生します

α-シヌクレインは、主に脳に存在する 140 アミノ酸の本質的に無秩序なタンパク質です。有毒なα-シヌクレイン凝集体は、パーキンソン病の分子的特徴です。in vitro 研究では、α-シヌクレインはモノマーの数 10 分の 1 のオリゴマー構造で凝集し、数百から数千のタンパク質で構成され、多形性クロスβシート構造を持つ円筒状構造 (フィブリル) になることが示されました。しかし、凝集の初期段階で形成されるオリゴマー種は依然としてよく理解されておらず、最も有毒な凝集体であるという仮説が立てられています。ここでは、粗視化分子動力学を使用して、α-シヌクレインの野生型 (WT) および変異型 (A30P、A53T、および E46K) 二量体の形成を研究しました。我々は、二量体化の初期段階で凝集する傾向がより高い配列の 2 つの主要なセグメント、残基 36 ～ 55 および残基 66 ～ 95 を特定しました。α-シヌクレインモノマーの一過性α-ヘリックス（残基53-65および73-82）は、A53TおよびE46K変異によって不安定化され、N末端領域での原線維のネイティブコンタクトの形成が促進されるのに対し、ヘリックス53-65はその形成を妨げます。二量体化の初期段階における WT の配列に沿った原線維のネイティブな接触の伝播。今回の結果は、二量体が原線維の単量体折り畳みのギリシャの重要なモチーフを採用していないが、分子内および分子間βシートの両方を備えた無秩序な凝集体の大部分と前原線維化二量体の少数（9〜15％）を形成していることを示している。。平行βシート内の残基のパーセンテージは、モノマー < 無秩序ダイマー < プレフィブリルダイマーの順に増加します。2 つのモノマー間の天然フィブリル接触は、WT、A30P、および A53T の NAC ドメインに、A53T および E46K の N ドメインに存在します。プレフィブリル二量体の構造特性は、破断力原子間力顕微鏡法および単一分子フェルスター共鳴エネルギー移動の入手可能なデータと一致します。これは、前原線維二量体が最小のタイプ B 毒性オリゴマーに対応する可能性があることを示唆しています。二量体の回転半径の確率密度は、すべてのタンパク質の単量体の 1 つよりも 10 Å 大きい平均半径を持つマルチピークです。今回の結果は、α-シヌクレインの凝集の基本段階である二量体化さえも、NAC領域だけが関与するものではない複雑な現象であることを示している。

α-Synuclein is a 140 amino-acid intrinsically disordered protein mainly found in the brain. Toxic α-synuclein aggregates are the molecular hallmarks of Parkinson's disease. In vitro studies showed that α-synuclein aggregates in oligomeric structures of several 10th of monomers and into cylindrical structures (fibrils), comprising hundred to thousands of proteins, with polymorphic cross-β-sheet conformations. Oligomeric species, formed at the early stage of aggregation remain, however, poorly understood and are hypothezised to be the most toxic aggregates. Here, we studied the formation of wild-type (WT) and mutant (A30P, A53T, and E46K) dimers of α-synuclein using coarse-grained molecular dynamics. We identified two principal segments of the sequence with a higher propensity to aggregate in the early stage of dimerization: residues 36-55 and residues 66-95. The transient α-helices (residues 53-65 and 73-82) of α-synuclein monomers are destabilized by A53T and E46K mutations, which favors the formation of fibril native contacts in the N-terminal region, whereas the helix 53-65 prevents the propagation of fibril native contacts along the sequence for the WT in the early stages of dimerization. The present results indicate that dimers do not adopt the Greek key motif of the monomer fold in fibrils but form a majority of disordered aggregates and a minority (9-15%) of pre-fibrillar dimers both with intra-molecular and intermolecular β-sheets. The percentage of residues in parallel β-sheets is by increasing order monomer < disordered dimers < pre-fibrillar dimers. Native fibril contacts between the two monomers are present in the NAC domain for WT, A30P, and A53T and in the N-domain for A53T and E46K. Structural properties of pre-fibrillar dimers agree with rupture-force atomic force microscopy and single-molecule Förster resonance energy transfer available data. This suggests that the pre-fibrillar dimers might correspond to the smallest type B toxic oligomers. The probability density of the dimer gyration radius is multi-peaks with an average radius that is 10 Å larger than the one of the monomers for all proteins. The present results indicate that even the elementary α-synuclein aggregation step, the dimerization, is a complicated phenomenon that does not only involve the NAC region.