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Publicação
The role of secondary modification of S100B in protein aggregation and its influence on Alzheimer's disease pathology
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Orientador(es)
Resumo(s)
A doença de Alzheimer (DA) foi descrita pela primeira vez por Alois Alzheimer em 1906. É uma doença neurodegenerativa irreversível e, em mais de 95% casos, esporádica, ou seja, não herdada. Não se lhe conhece a origem. Sem cura, o desenvolvimento da doença, que pode levar mais do que duas décadas, torna-se devastador para o indivíduo e desolador para os que o rodeiam. Não só a nível humano como também a nível dos recursos económicos, a doença tornou-se uma das principais preocupações das políticas de saúde. No meio clínico, os médicos recorrem à ajuda de biomarcadores para reconhecer, diferenciar e diagnosticar a DA. Os estudos epidemiológicos lançaram luz sobre os fatores de risco da patologia. Em primeiro lugar, muitos especialistas argumentaram ser uma doença de idade, tornando as pessoas incapazes de escapar a esse destino. Nesta tese, será também dado voz à argumentação segundo a qual a idade é apenas uma precondição. Fatores de risco apresentados são o género feminino, fatores alimentares e ambientais, fatores genéticos, que incluem mutações em genes relevantes para a DA. A nível bioquímico, os fatores proteicos que se revelaram cruciais na DA são o β amiloide (Aβ) e a proteína tau. O Aβ é um produto de clivagem da Proteína Precursora Amiloide (APP) extracelular, e a tau uma proteína intracelular. Estes sustentam as principais hipóteses de explicação de progressão da doença. As terapias aprovadas pela FDA até à data, serão sumariamente apresentadas. Contudo não curam, tendo como consequência que o mecanismo subjacente ainda apresenta muitas questões por resolver a nível celular e proteico. Proteínas desempenham um papel crucial na manutenção da estrutura e função celular. No entanto, em determinadas condições, como no caso da DA, as proteínas podem agregar, levando à formação de agregados proteicos insolúveis no cérebro. A agregação de proteínas é um fenómeno complexo que pode ter implicações profundas, como no caso da DA. A manutenção da homeostase proteica é controlada pelo sistema de controlo de qualidade que inclui os chaperões moleculares. No entanto, na DA, quando a concentração de monómeros amyloids malformados é suficientemente elevada, formam-se oligómeros tóxicos e espécies amilóides de ordem superior. O processo de agregação macroscópica é normalmente representado por uma forma sigmoide: Com uma fase de desfasamento, uma fase de crescimento/alongamento e uma fase de planalto. No contexto deste trabalho, são principalmente importantes duas vias de nucleação catalítica: nucleação primária, aggregação de monómeros e nucleação secundária, agregação de oligómeros na superfície de fibrilhas já formadas. Os chaperões moleculares no espaço extracelular podem impedir a agregação ao ligarem-se a regiões hidrofóbicas expostas por proteínas incorretamente formadas. Um desses chaperões moleculares é certamente a S100B.
S100 proteins are implicated in Alzheimer’s Disease (AD), and recent findings demonstrated a novel chaperone function for the astrocytic S100B protein, a secreted neuroinflammatory mediator associated with senile plaques capable of mitigating Aβ aggregation and toxicity. These findings suggest a protective role for S100B in the extracellular suppression of Aβ aggregation from the earliest stages of AD, which, however, takes place in a biochemically complex milieu capable of promoting oxidative damage. Herein we report an investigation in which extracellular oxidative conditions are mimicked to test if the susceptibility of S100B to oxidation influences its chaperone activity. Resorting to mild in vitro chemical oxidation of S100B, we observed considerable methionine oxidation inferred from mass spectrometry analysis and no cysteine-mediated disulfide crosslinking. Fourier-transform infrared (FTIR) analysis evidenced vibrational bands characteristic of methionine oxidation, providing confirmatory evidence. Spectroscopic analysis showed that the folding, structure, and stability of oxidized S100B were not affected, nor was its dimeric quaternary structure. However, chemical kinetics and mechanistic analysis revealed that oxidized S100B is a more effective anti-Aβ aggregation chaperone, delaying nucleation and fibril elongation rates more effectively and decreasing the amount of formed toxic Aβ oligomers. Structural analysis suggests that this enhancement of chaperone activity is tied with oxidation of Met-74 and Met-79, favouring interactions with the Aβ client, as these residues are located within the regulatory binding cleft on the S100B chaperone. In line with these findings, cell studies reveal that oxidized S100B is significantly more potent in reducing Aβ-induced astrocytic inflammatory cytokine expression than non-oxidized S100B and reduces cellular Aβ-toxicity more effectively. Overall, this study reveals the underlying mechanisms by which oxidation of S100B, which is likely to occur in the AD brain, functionally contributes to its neuroprotective role against Aβ-induced toxicity.
S100 proteins are implicated in Alzheimer’s Disease (AD), and recent findings demonstrated a novel chaperone function for the astrocytic S100B protein, a secreted neuroinflammatory mediator associated with senile plaques capable of mitigating Aβ aggregation and toxicity. These findings suggest a protective role for S100B in the extracellular suppression of Aβ aggregation from the earliest stages of AD, which, however, takes place in a biochemically complex milieu capable of promoting oxidative damage. Herein we report an investigation in which extracellular oxidative conditions are mimicked to test if the susceptibility of S100B to oxidation influences its chaperone activity. Resorting to mild in vitro chemical oxidation of S100B, we observed considerable methionine oxidation inferred from mass spectrometry analysis and no cysteine-mediated disulfide crosslinking. Fourier-transform infrared (FTIR) analysis evidenced vibrational bands characteristic of methionine oxidation, providing confirmatory evidence. Spectroscopic analysis showed that the folding, structure, and stability of oxidized S100B were not affected, nor was its dimeric quaternary structure. However, chemical kinetics and mechanistic analysis revealed that oxidized S100B is a more effective anti-Aβ aggregation chaperone, delaying nucleation and fibril elongation rates more effectively and decreasing the amount of formed toxic Aβ oligomers. Structural analysis suggests that this enhancement of chaperone activity is tied with oxidation of Met-74 and Met-79, favouring interactions with the Aβ client, as these residues are located within the regulatory binding cleft on the S100B chaperone. In line with these findings, cell studies reveal that oxidized S100B is significantly more potent in reducing Aβ-induced astrocytic inflammatory cytokine expression than non-oxidized S100B and reduces cellular Aβ-toxicity more effectively. Overall, this study reveals the underlying mechanisms by which oxidation of S100B, which is likely to occur in the AD brain, functionally contributes to its neuroprotective role against Aβ-induced toxicity.
Descrição
Tese de doutoramento em Biologia (Biologia de Sistemas), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2025.
Palavras-chave
Alzheimer´s Disease oxidized S100B Aβ cytokines Doença de Alzheimer S100B oxidada Aβ citocinas