Synthèse et caractérisation physicochimique de peptides de polyglutamines

Neuf maladies neurodégénératives sont le produit de l’expression de gènes mutés, dans lesquels le codon CAG est répété au-delà d’un seuil pathologique. Ceci produit des protéines mutantes dans lesquelles sont insérés des segments de polyglutamines (polyGln), qui perdent leur activité et acquièrent une nouvelle fonction, ce qui est toxique pour le neurone. Ces altérations sont attribuables aux propriétés particulières de la polyGln. En effet, ces dernières possèdent la capacité de s’assembler pour former des corps d’inclusion intracellulaires. Cette propension à l’agrégation de la polyGln rend difficile l’étude de ces pathologies. C’est ainsi que l’utilisation de peptides peut s’avérer une approche avantageuse. Toutefois, la synthèse de polyGln est associée à de nombreuses délétions et nécessite l’ajout de groupements chargés afin de permettre leur purification. Cependant, ce prérequis donne lieu à des interactions électrostatiques qui biaisent la structure et la cinétique d’agrégation de ces peptides, en plus d’interférer avec l’évaluation d’éventuels agents thérapeutiques. L’objectif du projet est de développer un système permettant l’étude de la polyGln en s’affranchissant des effets de charges. Pour ce faire, deux approches ont été explorées, la première utilise la polyGln non chargée et la seconde utilise une structure polyGln-morpholine ayant des charges labiles en fonction du pH. Ces peptides ont été produits en utilisant une approche linéaire de synthèse peptidique sur support solide avec protection maximale des chaînes latérales. La purification a été effectuée par chromatographie de haute performance en phase inverse en milieu acide. Ces stratégies ont permis de produire des peptides de polyGln de grande pureté avec des rendements acceptables. Une procédure de solubilisation des peptides alliant sonication et lyophilisation a été développée afin d’étudier chacun de ces peptides à l’aide de diverses techniques physicochimiques, telles que la diffusion de la lumière, la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, Raman et UV-visible, le dichroïsme circulaire et la microscopie optique polarisée. La polyGln non chargée solubilisée dans le trifluoroéthanol-eau a montré que la taille des particules et la vitesse d’agrégation sont proportionnelles à la fraction volumique en eau. De plus, la structure secondaire en solution est à prédominance alpha et semble être peu sensible à la fraction d’eau jusqu’à un certain seuil (25%) après lequel la structure aléatoire prédomine. L’analyse des agrégats à l’état solide montre des structures hélicoïdales > aléatoires et ont les caractéristiques des fibrilles amyloïdes. Le peptide de polyGln-morpholines a un pKa de 7,3 en milieu aqueux. Il demeure en solution lorsque le pH < pKa et à faible force ionique, alors qu’il s’autoassemble lorsque ces conditions ne sont pas respectées. Ceci suggère que la répulsion électrostatique est responsable de la stabilisation du peptide en solution. La dimension fractale nous indique que le peptide forme des agrégats compacts dont les constituants ont une taille de 2,5 nm, compatibles avec une conformation aléatoire compacte, en coude bêta ou hélicoïdale. Ceci est en accord avec l’étude structurale des peptides en solution qui a montré des espèces aléatoires > bêta > alpha. De plus, en RMN, l’élargissement des signaux du 1Hγ en cours d’agrégation suggère une interaction via les chaînes latérales. Les analyses en phase solide ont plutôt montré une prédominance de structures bêta et alpha. L’inhibition de l’agrégation à pH 8 varie selon rouge de Congo > tréhalose, alors que le peptide liant la polyGln 1 et la thioflavine T ne semble pas avoir d’effet. Ces approches ont donc permis pour la première fois de s’affranchir des effets de charges auparavant inhérents à l’étude de la polyGln en solution et par conséquent d’obtenir des informations inédites quant à la solubilité, la structure et la cinétique d’agrégation. Enfin, le dispositif à charges labiles permet d’évaluer l’efficacité d’éventuels agents thérapeutiques à pH quasi physiologique.

Caractérisation du rôle de l’amyline (IAPP) dans le diabète de type 2 : études de dérivés peptidiques et de composés inhibiteurs de la formation d’amyloïde

L’amyloïdose, une maladie progressive et incurable, implique une vaste panoplie de pathologies et de pathogénèses, qui est expliquée par la grande variabilité biologique et structurale des protéines responsables de la formation des dépôts d’amyloïde. L’amyline (polypeptide amyloïde des îlots pancréatiques, IAPP) est une protéine très susceptible de subir des changements de conformation impliquant les feuillets bêta et conférant aussi des propriétés physicochimiques distinctes. Cette protéine prend alors une forme fibrillaire et se dépose dans les îlots de Langerhans chez les humains atteints de diabète de type 2 ou d’insulinome. Ces dépôts d’amyloïde pancréatique (AIAPP) ont été décrits chez certaines espèces animales telles que les félins domestiques, les grands félins, le raton laveur et les primates non humains. La formation de dépôts d’amyloïde contribue à la pathogénèse du diabète de type 2, mais les mécanismes qui induisent la conversion de l’amyline (IAPP) en amyloïde (AIAPP) ne sont pas complètement compris. Les hypothèses du projet sont que certaines variations présentes dans les séquences peptidiques de l’IAPP provenant de différentes espèces animales jouent un rôle critique pour la formation de fibrilles et que plusieurs composés chimiques aromatiques/phénoliques sont capables d’abroger la formation de dépôts d’amyloïde. Le projet de recherche consiste donc à caractériser la propension des différentes isoformes animales d’IAPP à former de l’amyloïde in vitro afin d’identifier les acides aminés jouant un rôle clé dans cette transformation structurale et ultimement d’inhiber la formation d’amyloïde pancréatique. Le projet se divise en deux volets principaux. Le premier consiste à identifier les différentes séquences peptidiques de l’IAPP retrouvées chez les espèces animales. L’objectif est d’identifier les acides aminés jouant un rôle clé dans la formation d’amyloïde. Le gène de l’IAPP a été séquencé chez plus d’une quarantaine d’espèces. Le potentiel d’agrégation des séquences obtenues a été simulé à l’aide d’outils bioinformatique. Une librairie de 23 peptides a été commandée afin de procéder à des analyses physicochimiques in vitro permettant d’évaluer le potentiel amyloïdogénique (test fluorimétrique à la thioflavine T, essai de liaison au rouge Congo, dichroïsme circulaire, microscopie électronique à transmission) et cytotoxique (sur une lignée cellulaire provenant d’insulinome : INS-1). Les analyses effectuées à partir de la librairie constituée de 23 peptides ont permis d’identifier trois séquences ne formant pas d’amyloïde et qui proviennent des espèces animales suivantes : le tamarin lion doré (Leontopithecus rosalia), le grand dauphin (Tursiops truncatus) et l’alpaga (Vicugna pacos). Un site potentiellement critique est le segment 8-20 présentant le motif NFLVH qui ne forme plus d’amyloïde lorsqu’il est remplacé par le motif DFLGR ou KFLIR. Les acides aminés 29P, 14K et 18R sont également impliqués dans l’inhibition de la transformation structurale en fibrille. La dernière partie du projet consiste à inhiber la formation de l’amyloïde en utilisant des composés chimiques commercialisés (hypoglycémiants, anti-inflammatoires non stéroïdiens) ou nouvellement synthétisés dans notre laboratoire (les aryles éthyles urées). Un criblage d’une soixantaine de composés chimiques a été conduit dans cette étude. Leur efficacité a été testée sur l’IAPP humaine, qui possède un fort potentiel amyloïdogénique. Les techniques utilisées sont les mêmes que celles exploitées précédemment. L’essai de liaison croisée photo-induite ("photo-induced cross-linking of unmodified proteins", PICUP) a été réalisé afin d’étudier les formes intermédiaires (monomères, oligomères). Un total de 11 composés chimiques a démontré un potentiel à inhiber l’agrégation des fibrilles. Pour la classe des hypoglycémiants, le glyburide, le répaglinide et la troglitazone ont montré l’activité thérapeutique la plus élevée pour retarder et réduire la formation de fibrilles. Les anti-inflammatoires antiamyloïdogènes actifs incluaient le diclofenac, le méloxicam, le phénylbutazone, le sulindac et le ténoxicam. Les aryles étyles urées les plus intéressantes étaient la EU-362 et la EU-418. Tous ces composés ont conféré une protection cellulaire contre l’activité cytotoxique des fibrilles. Les molécules actives possèdent des éléments structuraux communs tels des substituants donneurs d’électrons (alcool, amine, halogène) sur un noyau benzène. En conclusion, ce projet de recherche a permis de caractériser l’IAPP chez diverses espèces animales, dont plusieurs chez lesquelles elle n’avait pas encore été décrite, de déterminer les sites jouant un rôle clé dans sa transformation en amyloïde et, ultimement, de tester le potentiel thérapeutique de nouveaux agents antiamyloïdogènes dans le diabète de type 2. Nous espérons que ce projet ouvrira ainsi la porte à de nouvelles stratégies de traitement.

Supramolecular parallel beta-sheet and amyloid-like fibril forming peptides using delta-aminovaleric acid residue

Four terminally blocked tripeptides containing delta-aminovaleric acid residue self-assemble to form supramolecular beta-sheet structures as are revealed from their FT-IR data. Single crystal X-ray diffraction studies of two representative peptides also show that they form parallel beta-sheet structures. Self-aggregation of these beta-sheet forming peptides leads to the formation of fibrillar structures, as is evident from scanning electron microscopic (SEM) and transmission electron microscopic (TEM) images. These peptide fibrils bind to a physiological dye, Congo red and exhibit a typical green-gold birefringence under polarized light, showing close resemblance to neurodegenerative disease causing amyloid fibrils. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Hydrogen-bonded dimer can mediate supramolecular beta-sheet formation and subsequent amyloid-like fibril formation: a model study

FT-IR data of six terminally blocked tripeptides containing Acp (epsilon-aminocaproic acid) reveals that all of them form supramolecular beta-sheets in the solid state. Single crystal X-ray diffraction studies of two peptides not only support this data but also disclose the fact that the supramolecular beta-sheet formation is initiated via dimer formation. The Scanning Electron Microscopic images of all peptides exhibit amyloid-like fibrils that show green birefringence after binding with Congo red, which is a characteristic feature of many neurodegenerative disease causing amyloid fibrils. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

beta-Sheet mediated self-assembly of dipeptides of omega-amino acids and remarkable fibrillation in the solid state

Single crystal X-ray diffraction studies show that the extended structure of dipeptide I Boc-beta-Ala-m-ABA-OMe (m-ABA: meta-aminobenzoic acid) self-assembles in the solid state by intermolecular hydrogen bonding to create an infinite parallel P-sheet structure. In dipeptide II Boc-gamma-Abu-m-ABA-OMe (gamma-Abu: gamma-aminobutyric acid), two such parallel beta-sheets are further cross-linked by intermolecular hydrogen bonding through m-aminobenzoic acid moieties. SEM (scanning electron microscopy) studies reveal that both the peptides I and II form amyloid-like fibrils in the solid state. The fibrils are also found to be stained readily by Congo red, a characteristic feature of the amyloid fiber whose accumulation causes several fatal diseases such as Alzheimer's, prion-protein etc.

alpha-Aminoisobutyric acid modified protected analogues of beta-amyloid residue 17-20: a change from sheet to helix

The strong intermolecular interactions mediated by short hydrophobic sequences (e.g., 17-20, -L-Leu-L-Val-L-Phe-L-Phe-) in the middle of A beta are known to play a crucial role in the neuropathology of Alzheimer's disease. FTIR, TEM and Congo red binding studies indicated that a series of L-Ala substituted terminally protected peptides related to the sequence 17-20 of the beta-amyloid peptide, adopted D-sheet conformations. However, the Aib-modified analogues disrupt the D-sheet structure and switch over to a 310 helix with increasing number of Aib residues. X-ray crystallography shed some light on the change from sheet to helix at atomic resolution. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Supramolecular beta-sheet and nanofibril formation by self-assembling tripeptides containing an N-terminally located gamma-aminobutyric acid residue

Three terminally protected tripeptides Boc-gamma-Abu-Val-Leu-OMe 1, Boc-gamma-Abu-Leu-Phe-OMe 2 and Boc-gamma-Abu-Val-Tyr-OMe 3 (gamma-Abu = gamma-aminobutyric acid) each containing an N-terminally positioned gamma-aminobutyric acid residue have been synthesized, purified and studied. FT-IR studies of all these peptides revealed that these peptides form intermolecularly hydrogen bonded supramolecular beta-sheet structures. Peptides 1, 2 and 3 adopt extended backbone beta-strand molecular structures in crystals. Crystal packing of all these peptides demonstrates that these beta-strand structures self-assemble to form intermolecularly H-bonded parallel beta-sheet structures. Peptide 3 uses a side chain tyrosyl -OH group as an additional hydrogen bonding functionality in addition to the backbone CONH groups to pack in crystals. Transmission electron microscopic studies of all peptides indicate that they self-assemble to form nanofibrillar structures of an average diameter of 65 nm. These peptide fibrils exhibit amyloid-like behavior as they bind to a physiological dye Congo red and show a characteristic green-gold birefringence under polarizing microscope.

Alignment of a model amyloid peptide fragment in bulk and at a solid surface

The alignment of model amyloid peptide YYKLVFFC is investigated in bulk and at a solid surface using a range of spectroscopic methods employing polarized radiation. The peptide is based on a core sequence of the amyloid beta (A beta) peptide, KLVFF. The attached tyrosine and cysteine units are exploited to yield information on alignment and possible formation of disulfide or dityrosine links. Polarized Raman spectroscopy on aligned stalks provides information on tyrosine orientation, which complements data from linear dichroism (LD) on aqueous solutions subjected to shear in a Couette cell. LD provides a detailed picture of alignment of peptide strands and aromatic residues and was also used to probe the kinetics of self-assembly. This suggests initial association of phenylalanine residues, followed by subsequent registry of strands and orientation of tyrosine residues. X-ray diffraction (XRD) data from aligned stalks is used to extract orientational order parameters from the 0.48 nm reflection in the cross-beta pattern, from which an orientational distribution function is obtained. X-ray diffraction on solutions subject to capillary flow confirmed orientation in situ at the level of the cross-beta pattern. The information on fibril and tyrosine orientation from polarized Raman spectroscopy is compared with results from NEXAFS experiments on samples prepared as films on silicon. This indicates fibrils are aligned parallel to the surface, with phenyl ring normals perpendicular to the surface. Possible disulfide bridging leading to peptide dimer formation was excluded by Raman spectroscopy, whereas dityrosine formation was probed by fluorescence experiments and was found not to occur except under alkaline conditions. Congo red binding was found not to influence the cross-beta XRD pattern.

Fibrillisation of hydrophobically modified amyloid peptide fragments in an organic solvent

The self-assembly of a hydrophobically modified fragment of the amyloid beta(A beta) peptide has been studied in methanol. The peptide FFKLVFF is based on A beta(16-20) extended at the N terminus by two phenylalanine residues. The formation of amyloid-type fibrils is confirmed by Congo Red staining, thioflavin T fluorescence and circular dichroism experiments. FTIR points to the formation of beta-sheet structures in solution and in dried films and suggests that aggregation occurs at low concentration and is not strongly affected by further increase in concentration, i.e. the peptide is a strong fibril-former in methanol. UV fluorescence experiments on unstained peptide and CD point to the importance of aromatic interactions between phenylalanine groups in driving aggregation into beta-sheets. The CD spectrum differs from that usually observed for beta-sheet assemblies formed by larger peptides or proteins and this is discussed for solutions in methanol and also trifluoroethanol. The fibril structure is imaged by transmission electron microscopy and scanning electron microscopy on dried samples and is confirmed by small-angle X-ray scattering experiments in solution.

Amyloid-like fibrillogenesis through supramolecular helix-mediated self-assembly of tetrapeptides containing non-coded alpha-aminoisobutyric acid (Aib) and 3-aminobenzoic acid (m-ABA)

Single-crystal X-ray diffraction studies of two terminally protected tetrapeptides Boc-Ile-Aib-Val-m-ABA-OMe (I) and Boc-Ile-Aib-Phe-m-ABA-OMe (II) (Aib = alpha-aminoisobutyric acid; m-ABA = meta-aminobenzoic acid) reveal that they form continuous H-bonded helices through the association of double-bend (type III and I) building blocks. NMR Studies support the existence of the double-bend (type Ill and I) structures of the peptides in solution also. Field emission scanning electron-microscopic (FE-SEM) and high-resolution transmission electron-microscopic (HR-TEM) images of the peptides exhibit amyloid-like fibrils in the solid state. The Congo red-stained fibrils of peptide I and II, observed between crossed polarizers, show green-gold birefringence, a characteristic of amyloid fibrils.

SEF17 fimbriae are essential for the convoluted colonial morphology of Salmonella enteritidis

Salmonella enteritidis isolated from poultry infections generated a convoluted colonial morphology after 48 h growth on colonisation factor antigen (CFA) agar at 25 degrees C. A mutant S. enteritidis defective for the elaboration of the SEF17 fimbrial antigen, in which the agf gene cluster was inactivated by insertion of an ampicillin resistance gene cassette, and other wild-type S. enteritidis transduced to this genotype failed to produce convoluted colonies. However, growth of SEF17(-) mutans at 25 degrees C on CFA agar supplemented with 0.001% Congo red resulted in partial recovery of the phenotype. Immunoelectron microscopy demonstrated that copious amounts of the SEF17 fimbrial antigen were present in the extracellular matrix of convoluted colonies of wild-type virulent S. enteritidis isolates. Bacteria were often hyperflagellated also. Immunoelectron microscopy of SEF17(-) mutants grown on CFA agar+0.001% Congo red demonstrated the elaboration of an as yet undefined fimbrial structure. Isolates of S. enteritidis which were described previously as avirulent and sensitive to environmental stress failed to express SEF17 or produce convoluted colonies. These data indicate an essential role for SEF17, and possibly for another fimbria and flagella, in the generation of the convoluted colonial phenotype. The relationship between virulence and colonial phenotype is discussed.

Expression of SEF17 fimbriae by Salmonella enteritidis

Specific immunological reagents were used to investigate the expression of SEF17 fimbriae by cultured strains of Salmonella enteriditis. Most strains of Salm. enteritidis tested expressed SEF17 when cultured at temperatures of 18-30 degrees C. However, two wild-type strains produced SEF17 when also grown at 37 degrees C and 42 degrees C. Colonization factor antigen agar was the optimum medium for SEF17 expression, whereas Drigalski and Sensitest agars poorly supported SEF17 production. Very fine fimbriae produced by a strain of Salm. typhimurium were specifically and strongly labelled by SEF17 monoclonal and polyclonal antibodies, indicating considerable antigenic conservation between the two. Curli fimbriae from Escherichin coli were similarly labelled. The production of these fimbriae corellated with the binding of fibronectin by the organism. Congo red binding by cultured bacteria was not a reliable criterion for the expression of SEF17 fimbriae.

Self-assembly of palmitoyl lipopeptides used in skin care products

The self-assembly of three cosmetically active peptide amphiphiles C16-GHK, C16-KT, and C16-KTTKS (C16 denotes a hexadecyl, palmitoyl chain) used in commercial skin care products is examined. A range of spectroscopic, microscopic, and X-ray scattering methods is used to probe the secondary structure, aggregate morphology, and the nanostructure. Peptide amphiphile (PA) C16-KTTKS forms flat tapes and extended fibrillar structures with high β-sheet content. In contrast, C16-KT and C16-GHK exhibit crystal-like aggregates with, in the case of the latter PA, lower β-sheet content. All three PA samples show spacings from bilayer structures in small-angle X-ray scattering profiles, and all three have similar critical aggregation concentrations, this being governed by the lipid chain length. However, only C16-KTTKS is stained by Congo red, a diagnostic dye used to detect amyloid formation, and this PA also shows a highly aligned cross-β X-ray diffraction pattern consistent with the high β-sheet content in the self-assembled aggregates. These findings may provide important insights relevant to the role of self-assembled aggregates on the reported collagen-stimulating properties of these PAs.

Efficacy of a live attenuated Escherichia coli O78:K80 vaccine in chickens and turkeys

A candidate live vaccine for avian pathogenic Escherichia coli (APEC) was constructed from a virulent field APEC O78 strain by mutation of the aroA gene. The mutant was highly similar to the parent wild-type strain in respect of colony morphology, motility, growth in suspension, hemagglutination, Congo Red binding, HEp-2 cell adhesion, and the elaboration of surface antigens type 1 fimbriae and flagella, although production of curli fimbriae was reduced marginally. The mutant proved avirulent when inoculated into 1-day-old chicks by spray application and when presented again in the drinking water at 7 days of age. Chickens and turkeys vaccinated with an O78 aroA mutant were protected against a challenge at 6 wk of age by virulent APEC strains.

Elastase secretion in Acanthamoeba polyphaga

Acanthamoeba species are frequently isolated from soil and water collections. In the environment, the organisms multiply as phagotrophic trophozoites and encyst under adverse conditions. Several species are known to infect man, causing keratitis and opportunistic diseases. The mechanisms underlying tissue damage and invasion by the amoebae are being elucidated and the involvement of secreted peptidases, particularly serine peptidases, has been demonstrated. Here, elastase activity was examined in Acanthamoeba-conditioned medium (ACM), making use of elastin-Congo red (ECR) and synthetic peptide p-nitroanilide substrates. ACM hydrolysed ECR over a broad pH range and optimally at a pH of 7.5 and above. Indicating the activity of serine and metallopeptidases, Congo red release was potently inhibited by PMSF, antipain, chymostatin and 1,10-phenanthroline, partially reduced by elastatinal and EDTA, and unaffected by 1,7-phenanthroline and E-64. Screening with synthetic substrates mainly showed the activity of serine peptidases. ACM efficiently hydrolysed Suc-Ala(2)-Pro-Leu-pNA and Suc-Ala(2)-Pro-Phe-pNA over a broad pH range (7.0-9.5) and was weakly active against Suc-Ala(3)-pNA, a substrate found to be optimally hydrolysed at a pH around 7.0. Following ammonium sulfate precipitation of ACM proteins and FPLC analysis, the majority of the ECR-splitting activity, characterised as serine peptidases, bound to CM-sepharose and co-eluted with part of the Suc-Ala(2)-Pro-Phe-pNA-hyd to lysing activity in a gradient of 0-0.6 M NaCl. In the corresponding FPLC fractions, serine peptidases resolving in the region of 70-130 kDa were detected in gelatin gels. Overall, the results demonstrate that trophozoites secrete elastases, and additionally suggest the high molecular weight serine peptidases as possible elastase candidates. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.