Interaction of α-Synuclein with Divalent Metal Ions Reveals Key Differences: A Link between Structure, Binding Specificity and Fibrillation Enhancement

化学 二价 金属 水溶液中的金属离子 结晶学 圆二色性 生物物理学 结合位点 立体化学 生物化学 有机化学 生物
作者
Andrés Binolfi,Rodolfo M. Rasia,Carlos W. Bertoncini,Marcelo Ceolı́n,Markus Zweckstetter,Christian Griesinger,Thomas M. Jovin,Claudio O. Fernández
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:128 (30): 9893-9901 被引量:343
标识
DOI:10.1021/ja0618649
摘要

The aggregation of alpha-synuclein (AS) is characteristic of Parkinson's disease and other neurodegenerative synucleinopathies. Interactions with metal ions affect dramatically the kinetics of fibrillation of AS in vitro and are proposed to play a potential role in vivo. We recently showed that Cu(II) binds at the N-terminus of AS with high affinity (K(d) approximately 0.1 microM) and accelerates its fibrillation. In this work we investigated the binding features of the divalent metal ions Fe(II), Mn(II), Co(II), and Ni(II), and their effects on AS aggregation. By exploiting the different paramagnetic properties of these metal ions, NMR spectroscopy provides detailed information about the protein-metal interactions at the atomic level. The divalent metal ions bind preferentially and with low affinity (millimolar) to the C-terminus of AS, the primary binding site being the (119)DPDNEA(124) motif, in which Asp121 acts as the main anchoring residue. Combined with backbone residual dipolar coupling measurements, these results suggest that metal binding is not driven exclusively by electrostatic interactions but is mostly determined by the residual structure of the C-terminus of AS. A comparative analysis with Cu(II) revealed a hierarchal effect of AS-metal(II) interactions on AS aggregation kinetics, dictated by structural factors corresponding to different protein domains. These findings reveal a strong link between the specificity of AS-metal(II) interactions and the enhancement of aggregation of AS in vitro. The elucidation of the structural basis of AS metal binding specificity is then required to elucidate the mechanism and clarify the role of metal-protein interactions in the etiology of Parkinson's disease.
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