Effects of mutations of wild-type alpha-synuclein on its structure and dimerization and consequences for the Parkinson's disease : answers from coarse-grained molecular dynamics simulations
Effets des mutations sur la structure et la dimérisation de l'alpha-synucléine et implications pour la maladie de Parkinson : réponses apportées par la dynamique moléculaire à gros grains
Résumé
Alpha-synuclein is a protein of 140 amino acids, intrinsically disordered and found abundantly in the brain and whose toxic aggregation there is the hallmark of the Parkinson's disease.The aim of the thesis is to understand the effects of certain mutations on the dimerization of alpha-synuclein and to contribute to understand its involvement in Parkinson's disease by using coarse-grained molecular dynamics. Coarse-grained molecular dynamics trajectories were computed using the UNited-RESidue (UNRES) program and provided unprecedented sampling (over an effective time of the order of milliseconds) of the alpha-synuclein structures in monomeric and dimeric forms. These data were generated both for the wild-type protein but also for different types of mutants, related to the onset of an early form of the disease, or artificial and synthesized in order to understand the role of certain amino acids on the protein structure and aggregation. The study of this very large set of structures led us to build a program CUTABI, CUrvature and Torsion based Alpha helix and Beta sheet Identification) to detect secondary structures from coarse-grain models with a computational time of an order of magnitude smaller than the standard programs.From our molecular dynamics simulations, we identified two phases in the conformational set of monomers: a first phase composed of conformations without helices and a second phase composed of conformations with both helices and β-sheets. We also identified a particular region of the sequence forming a characteristic β-sheet hairpin. We demonstrated that this type of secondary structure element is much more present in the wild-type protein compared to all the toxic mutants studied.Study of the dimer conformations allowed us to identify two main regions of aggregation along the amino-acid sequence of alpha-synuclein and to demonstrate the existence of two main types of dimeric structures. The first type (minority of the conformations), named pre-fibrillar in this thesis, consists of structures with contacts between residues at the same positions along the amino-acid sequence in the monomers forming the dimer, similar to the contacts between the residues of the monomers of the fibrillar structures observed in vitro. This type of contacts only forms in a single region of the sequence for the wild-type protein against several regions of the sequence for certain mutants. Moreover, these fibrillar-type dimers are more abundant in toxic mutants. The second type (majority of the conformations), is made up of disordered structures with variable numbers of intra-molecular and inter-molecular contacts. In this last type of structures, we identified a subfamily of very aggregated dimers forming very long parallel β-sheets, also more abundant for the mutants studied than for the wild-type protein.All results obtained are discussed and compared with all the structural and mutagenesis experimental data available.
L'alpha-synucléine est une protéine de 140 acides aminés, intrinsèquement désordonnée et retrouvée abondamment dans le cerveau et dont l'agrégation toxique dans le cerveau est un symptôme de la maladie de Parkinson.L’objectif de la thèse est de comprendre les effets de certaines mutations sur la dimérisation de l’alpha-synucléine et de contribuer à comprendre son implication dans la maladie de Parkinson grâce à l’utilisation de la dynamique moléculaire à gros grains. Des trajectoires de dynamique moléculaire à gros grains ont été calculées à l’aide du programme UNited-RESidue (UNRES) et ont permis d’obtenir un échantillonnage sans précédent (sur un temps effectif de l'ordre de la milliseconde) des structures de l'alpha-synucléine sous les formes monomérique et dimérique. Ces données ont été générées à la fois pour la protéine sauvage mais également pour différents types de mutants, liés à l'apparition d'une forme précoce de la maladie, ou artificiels et synthétisés afin de comprendre le rôle de certains acides aminés dans la structure et l'agrégation de la protéine. L’étude de ce très grand ensemble de structures nous a amené à construire un programme de détection des structures secondaires d'une protéine (CUTABI, CUrvature and Torsion based Alpha helix and Beta sheet Identification) applicable aux modèles à gros grains avec des temps de calculs d'un ordre de grandeur inférieur à l'application des programmes standards existants.A partir de nos simulations de dynamique moléculaire, nous avons identifié deux phases dans l'ensemble conformationnel des monomères: une première constituée de conformations ne contenant pas d’hélice et une seconde composée de conformations mélangeant hélices et feuillet-β. Nous avons également repéré la position des différentes structures secondaires le long de la séquence des acides aminés des alpha-synucléines et avons notamment mis en évidence un feuillet-β caractéristique appelé « hairpin » (épingle à cheveux en français). Nous avons démontré que ce type de structure secondaire est bien plus présent pour la protéine sauvage que dans tous les mutants toxiques étudiés.L'étude des conformations des dimères, nous a permis d'identifier deux régions principales d’agrégation le long de la séquence des acides aminés de l'alpha-synucléine et de démontrer l'existence de deux types principaux de structures dimériques. Le premier type, minoritaire, nommé pré-fibrillaire dans cette thèse, est constitué de contacts entre des résidus aux mêmes positions le long de la séquence dans les monomères formant le dimère, de manière semblable aux contacts entre les résidus des monomères des structures fibrillaires observées in vitro. Ce type de contacts ne se forme que dans une seule région de la séquence pour la protéine sauvage contre plusieurs régions de la séquence pour certains mutants. De plus ces dimères de type fibrillaire sont plus abondants chez les mutants toxiques. Le second type, majoritaire, est formé de structures désordonnées avec des nombres de contacts intra-moléculaires et inter-moléculaires variables. Dans ce dernier type de structures, nous avons également identifié une sous-famille de dimères très agrégés capables de former de très long feuillet-β parallèles, également plus abondants pour les mutants étudiés que pour la protéine sauvage.L'ensemble des analyses et des résultats obtenus sont discutés et comparés à l'ensemble des données structurales disponibles expérimentalement et aux données de mutagenèse.
Origine : Version validée par le jury (STAR)