Mecanismos e regulação da formação amilóide no contexto da doença de Alzheimer

Abstract

A doença de Alzheimer (AD) resulta da alteração de uma multiplicidade de processos moleculares e fisiológicos que conduzem a neurodegeneração. Dentre estes, a agregação amilóide do péptido β-amilóide (Aβ) e da proteína Tau hiperfosforilada assume um papel central, por daí resultar importante neurotoxicidade. A agregação extracelular de Aβ e formação de confórmeros proteotóxicos resulta na ativação da resposta neuroinflamatória. Esta resposta envolve a produção e libertação pelas células astrogliais de várias moléculas mediadoras do processo inflamatório. Entre estas encontram-se citocinas e proteínas sinalizadoras, genericamente designadas por alarminas, que incluem vários membros da família das proteínas S100. Recentemente, uma destas alarminas – a proteína S100B, que é muito abundante no cérebro e se encontra sobre-expressa em AD onde se acumula próximo das placas amilóide – foi implicada como um novo regulador da agregação proteica. Especificamente, verificou-se que a proteína S100B tem uma atividade de chaperão molecular, mostrando uma potente capacidade supressora da agregação de Aβ42, tendo cumulativamente mitigado a toxicidade destes agregados em modelos celulares. Ainda assim, vários aspetos mecanísticos que governam a ação da S100B não se encontram totalmente esclarecidos, nomeadamente, a sua ação sobre os oligómeros tóxicos de Aβ que se formam durante a fibrilação. O objetivo deste trabalho foi assim o de aprofundar a caracterização da ação da S100B sobre a agregação do péptido Aβ42, em diferentes condições. Para tal, foram determinados perfis cinéticos de agregação do péptido Aβ na presença ou ausência de S100B – com o recurso a marcadores fluorescentes, e posterior análise por ajuste a modelos mecanísticos que regem a agregação amilóide. Os resultados mostraram que, globalmente, a S100B apresenta uma variedade de mecanismos protetivos que se traduzem em alterações no perfil de agregação do péptido Aβ. Por um lado, mostrou-se que a presença de S100B (na forma associada a Ca2+) em concentrações supra-estequiométricas atrasa substancialmente a agregação de Aβ42, aumentando a produção de fibras maduras em detrimento da formação de oligómeros potencialmente tóxicos. Este comportamento é notório através do efeito da S100B na redução da velocidade de formação de oligómeros, assim como na sua quantidade, estimada a partir dos parâmetros cinéticos extraídos na presença de S100B. Verificou-se que as fibras Aβ42 formadas nestas condições são estruturalmente distintas das formadas na ausência de S100B, como mostrado por fluoróforos de deteção amilóide dependentes de conformação. A S100B revelou ser ainda uma potente inibidora da reação de nucleação secundária, mas não da reação de elongação das fibras formadas, suprimindo o efeito da presença de sementes de agregação em condições equi-estequiométricas. Foram também realizados estudos cinéticos e mecanísticos da agregação de Aβ42 na presença de S100B, Zn2+ e Cu2+, que se sabe estarem alterados em AD, e que são ligandos desta alarmina. Os resultados obtidos sugerem que a S100B desempenha uma função dupla como chaperão anti-agregação e quelante biológico destes iões metálicos. Daqui resulta uma ação protetora acrescida, por minimização da formação de oligómeros neurotóxicos de Aβ associados a estes metais.

Alzheimer’s disease (AD) arises from the alteration of several molecular and physiological processes that lead to neurodegeneration. Among these processes, the amyloid aggregation of the amyloid-β peptide (Aβ) and hyperphosphorilated Tau plays a central role, resulting in neurotoxicity. The extracellular aggregation of Aβ and formation of proteotoxic conformers triggers a neuroinflammatory response. This response involves the production and secretion by astroglial cells of several molecules that act as inflammatory mediators. These include cytokines and signalling proteins commonly referred to as alarmins, which include several members of the S100 protein family. Recently, one of these alarmins – the S100B protein – which is abundant in brain and is overexpressed in AD where it accumulates in the vicinity of amyloid plaques – was described as a new regulator of protein aggregation. It was found that S100B has a molecular chaperone activity, showing a significant suppressor effect over the aggregation of Aβ42 and its toxicity over cell models. However, many mechanistic aspects regarding the action of S100B are not yet fully understood, namely its impact on the formation of toxic Aβ42 oligomers that are produced during Aβ42 fibrillation. This work aimed at the characterization of the role of S100B over the aggregation of Aβ42 under different conditions. For this, kinetic profiles of Aβ peptide aggregation were determined in the presence or absense of S100B – resorting to fluorescent dyes and global fitting analysis to mechanistic models underlying amyloid aggregation. Overall, the results showed that S100B displays a large variety of protective mechanisms that translate into multiple effects over the aggregation of Aβ42. In fact, the presence of Ca2+-bound S100B at supra-stoichiometric concentrations was shown to substantially delay Aβ42 fibrillation, promoting the production of mature fibrils at the expense of the formation of potentially toxic oligomers. This is supported by the observation effect of S100B in the formation rate and distribution of Aβ oligomers, estimated from the kinetic parameters determined in the presence of S100B. It was also found that the Aβ42 fibrils formed in these conditions are structurally distinct from those formed in the absence of S100B, as shown by structural-dependent amyloid fluorophores. S100B was also shown to be a potent inhibitor of the secondary nucleation reaction, but not of the elongation reaction leading to fibril formation, suppressing the effect of aggregation seeds, when in equi-stoichiometric conditions. Kinetic and mechanistic studies of Aβ42 aggregation were also carried out in the presence of S100B and Zn2+ and Cu2+, which are known to be altered in AD, and which are ligands for this alarmin. The results obtained suggest that S100B performs a double function as an anti-aggregation mediator and as a biological chelator or buffer for these metal ions. This behavior results in an increased protective action, as S100B minimizes the formation of metal-bound Aβ oligomers which are extremely neurotoxic.