Multiple-State Monitoring of SOD1 Amyloid Formation at Single-Residue Resolution by Rheo-NMR Spectroscopy

化学 核磁共振波谱 SOD1 单体 蛋白质折叠 残留物(化学) 蛋白质聚集 结晶学 生物物理学 超氧化物歧化酶 立体化学 生物化学 有机化学 聚合物 生物 氧化应激
作者
Naoto Iwakawa,Daichi Morimoto,Erik Walinda,Masahiro Shirakawa,Kenji Sugase
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (28): 10604-10613 被引量:13
标识
DOI:10.1021/jacs.1c02974
摘要

Formation of protein aggregates or fibrils entails the conversion of soluble native protein monomers via multiple molecular states. No spectroscopic techniques have succeeded in capturing the transient molecular-scale events of fibrillation in situ. Here we report residue- and state-specific real-time monitoring of the fibrillation of amyotrophic lateral sclerosis-related SOD1 by rheology NMR (Rheo-NMR) spectroscopy. Under moderately denaturing conditions, where NMR signals of folded and unfolded monomeric SOD1 are simultaneously observable, the cross-peak intensities of folded monomeric SOD1 decreased faster than those of the unfolded species, and a 310-helix in folded SOD1 was deformed prior to global unfolding. Furthermore, real-time protein dynamics analysis identified residues involved in the core structure formation of SOD1 oligomers. Our findings provide insight into local and global unfolding events in SOD1 and fibril formation. This Rheo-NMR analysis will be applicable not only to atomic-level monitoring of other amyloidogenic proteins but also to quantification of shear-induced structural changes of non-amyloidogenic proteins and elucidation of shear-enhanced chemical phenomena such as viscosity increase and crystallization of various solution-state compounds.

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