Etude de la structure et de la toxicité des oligomères du peptide amyloïde-beta: implication dans la maladie d'Alzheimer

Notre étude structurale minutieuse du processus d’agrégation du peptide Aβ démontre la formation d’agrégats dont le degré d’assemblage augmente au cours du temps. Nous avons montré que les agrégats identifiés comme étant des oligomères adoptent une structure en feuillets β antiparallèles. Tandis que l’interconversion de la structure β d’antiparallèle à parallèle conduit à la formation de fibrilles. Sur base de l’interprétation des spectres infrarouges analysés par corrélation à 2 dimensions, nous suggérons que ce changement de conformation est rendu possible grâce aux modifications des liens hydrogènes. En effet, les liens hydrogènes intramoléculaires qui stabilisent la structure antiparallèle des brins β disparaissent en faveur de liens intermoléculaires conduisant à la formation de feuillets β parallèles. De plus, ce changement de conformation requière la rotation des brins β le long de leur axe respectif.

Notre travail a pu mettre en avant le rôle central des oligomères dans la pathologie d’une part par leur rôle d’intermédiaires transitoires nécessaires et obligatoires à la formation des fibrilles mais également par la relation étroite qui existe entre leur structure en feuillets β antiparallèles et leur toxicité cellulaire. La modulation et/ou suppression de cette conformation est requise spécifiquement pour réguler leur toxicité et empêcher le processus de mauvais reploiement du peptide conduisant au développement de la maladie.

Enfin, nous avons également apporté de nouvelles informations concernant l’implication des membranes biologiques dans le mécanisme de toxicité des oligomères. Nos résultats démontrent que l’interaction du peptide avec un modèle de la membrane biologique ne conduit pas à la déstabilisation de cette dernière. L’hypothèse suggérant la formation de pores et/ou de canaux ioniques comme mécanisme de cytotoxicité est de facto réfutée par notre travail. Néanmoins, nous suggérons que l’interaction du peptide avec les lipides modifie le processus d’agrégation décrit dans la première partie de notre travail. Elle accélère l’étape de nucléation permettant la formation rapide d’oligomères à la surface de la membrane et accentuant ainsi leur probabilité d’interaction avec les protéines membranaires neuronales telles que les récepteurs de neurotransmetteurs./

Aggregation of amyloid-β peptides (Aβ1-40 and Aβ1-42) leads to formation of heterogeneous

toxic species, oligomers and fibrils, implicated in Alzheimer’s disease. As oligomers were

identified as the most cytotoxic entities, our research did focus on their implications in

pathology and the Aβ aggregation process which are currently not fully understood.

Using ATR-FTIR spectroscopy, we demonstrated that Aβ oligomers adopt an antiparallel β-

sheet structure. β-sheet interconversion from antiparallel to parallel seems to be an important

step in the Aβ oligomers-to-fibrils transformation. Furthermore, 2-D correlation analysis of

infrared spectra recorded during aggregation showed that Aβ isoforms undergo different β-

sheet reorganizations explaining their distinct aggregation kinetics. Aβ1-40 misfolding seems

to be related to a greater extent of secondary structure changes (increase of β-sheet structure

while α-helices and random coil structures content decrease). On the contrary, the same

analysis for Aβ1-42 suggests that a possible β-strand ‘rotation’ triggering inter-H bonding

formation and stabilizing fibrils may probably explain the antiparallel to parallel β-sheet

conversion.

We also provided evidence that cytotoxicity is strongly related to the oligomeric antiparallel

β-sheet structure of Aβ. The concomitant absence of antiparallel β-sheet structure due to

incubation with whey protein-derived peptide hydrolysate strongly suggests that cytotoxicity

and β-sheets organization are related.

Formation of β-barrel spanning the lipid membrane has been proposed to explain this Aβ

structure-toxicity relationship. In the last part of our work, we demonstrated that the

interaction of Aβ1-42 with anionic lipid membranes creates and/or stabilizes specific-size

oligomers. These oligomers, especially the dodecamer, are known to be the most toxic.

Nevertheless, we could not show that these specific oligomers are implicated in membrane

destabilization. Further works are needed to separate and study the individual properties of

each oligomer.