Early Aggregation Mechanism of SOD128–38 Based on Force Field Parameter of 5-Cyano-Tryptophan

化学 SOD1 二聚体 色氨酸 蛋白质聚集 淀粉样蛋白(真菌学) 生物物理学 分子动力学 氨基酸 超氧化物歧化酶 立体化学 计算化学 生物化学 有机化学 氧化应激 无机化学 生物
作者
Mueed Ur Rahman,Saira Bano,Xiaokun Hong,Ruo‐Xu Gu,Haifeng Chen
出处
期刊:Journal of Chemical Information and Modeling [American Chemical Society]
卷期号:64 (9): 3942-3952
标识
DOI:10.1021/acs.jcim.4c00289
摘要

The aggregation of superoxide dismutase 1 (SOD1) results in amyloid deposition and is involved in familial amyotrophic lateral sclerosis, a fatal motor neuron disease. There have been extensive studies of its aggregation mechanism. Noncanonical amino acid 5-cyano-tryptophan (5-CN-Trp), which has been incorporated into the amyloid segments of SOD1 as infrared probes to increase the structural sensitivity of IR spectroscopy, is found to accelerate the overall aggregation rate and potentially modulate the aggregation process. Despite these observations, the underlying mechanism remains elusive. Here, we optimized the force field parameters of 5-CN-Trp and then used molecular dynamics simulation along with the Markov state model on the SOD128–38 dimer to explore the kinetics of key intermediates in the presence and absence of 5-CN-Trp. Our findings indicate a significantly increased probability of protein aggregate formation in 5CN-Trp-modified ensembles compared to wildtype. Dimeric β-sheets of different natures were observed exclusively in the 5CN-Trp-modified peptides, contrasting with wildtype simulations. Free-energy calculations and detailed analyses of the dimer structure revealed augmented interstrand interactions attributed to 5-CN-Trp, which contributed more to peptide affinity than any other residues. These results explored the key events critical for the early nucleation of amyloid-prone proteins and also shed light on the practice of using noncanonical derivatives to study the aggregation mechanism.
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