Computational elucidation of the inhibition of myoglobin aggregation by polyethylene glycol

Abstract

Na maior parte dos casos, despois de as proteínas serem sintetizadas nas células, elas tem que se enrolar na sua conformação nativa para que possam exercer as suas funções biológicas. No entanto, apesar de este processo ser eficiente, vários fatores podem levar uma proteína a adquirir uma conformação não nativa, o que pode levar à sua agregação. A agregação de proteínas é uma característica patológica de doenças neurodegenerativas como o Alzheimer e o Parkinson. Portanto, compreender este fenómeno a nível molecular e definir estratégias que o possam prevenir é algo de grande importância. Algumas das estratégias utilizadas para prevenir a agregação de proteínas incluem a alteração do ambiente circundante da proteína utilizando moléculas estabilizadoras, ou adicionando iões. Na última década foram publicados alguns estudos que mostram que o polietilenoglicol (PEG) é capaz inibir a agregação de proteínas, mas sabe-se pouco sobre o mecanismo pelo qual ele atua a nível molecular. Nesse sentido, neste trabalho foram realizadas simulações de dinâmica molecular, para tentar elucidar o mecanismo de interação do PEG com mioglobina nativa e desnaturada (myoWT e myoD). Foram também estudados os efeitos de NaCl e Na2SO4 na myoD e no PEG a nível molecular. Para as simulações de dinâmica molecular foram considerados dois sistemas, um com duas unidades de myoD e outro com duas unidades de myoWT. A ambos os sistemas foi adicionado etilenoglicol (EG), PEG 2 (dois monómeros de etilenoglicol), PEG 4, PEG 8 ou PEG 12. Sistemas de myoD com PEG 4 ou PEG 12 e adição de NaCl ou Na2SO4 foram também simulados. No sistema com myoWT, os resultados mostraram que as duas unidades de mioglobina não se agregam. Relativamente ao polímero, EG, PEG 2 e PEG 4 estiveram espalhados na caixa de simulação ao longo das simulações, mas PEG 8 e PEG 12 organizaram-se numa estrutura globular. No sistema com myoD, o PEG teve um comportamento semelhante. Foi possível observar também a agregação das duas unidades de myoD no grupo controlo e na presença de EG, PEG 2 e PEG 4. No entanto, na presença de PEG 8 e PEG 12 a agregação foi inibida, porque as duas unidades de myoD interagiram com a estrutura globular do PEG em vez de interagirem entre si. Em relação às simulações com NaCl e Na2SO4, à concentração estudada, os iões salinos não tiveram um papel relevante quer na estrutura da myoD, quer na interação dos PEGs à proteína. Foi possível também observar que SO4 2- foi o único ião que interagiu significativamente com myoD.

In most cases, after being synthesized in cells, proteins must fold into their native conformation to perform their biological functions. However, even though this process is efficient, several factors could lead the protein to a non-native folding state, that often aggregates and leads to protein inactivation and loss of function. Protein aggregation is a characteristic feature of neurodegenerative diseases with few therapeutics available, like Alzheimer's. Thus, understanding the molecular process behind protein aggregation and defining strategies that may prevent this phenomenon is of great relevance. Changing the immediate environment of proteins using protein-stabilizing molecules, or by adding salt ions, are some of the strategies that can be used to prevent protein aggregation. In the last decade, some studies have shown that polyethylene glycol (PEG) was able to inhibit protein aggregation, but the molecular mechanism by which it acted was not studied in great detail. Therefore, in this thesis, molecular dynamics simulations were performed to understand the molecular mechanism by which PEG interacts with native and denatured myoglobin (myoWT and myoD) and to study at a molecular level the effects of NaCl and Na2SO4 on myoD and PEG. For the molecular dynamics simulations, two systems were considered, one with two units of myoD and the other with two units of myoWT. Ethylene glycol (EG), PEG 2 (two units of ethylene glycol), PEG 4, PEG 8, or PEG 12 were then added to both systems. Simulations were also perfomed for myoD with PEG 4 or PEG 12 and added NaCl or Na2SO4. In the system with myoWT, the results showed that the two protein units did not aggregate. Regarding the polymer, EG, PEG 2, and PEG 4 were dispersed in the simulation box throughout the simulations, however, PEG 8 and PEG 12 were organized into a globular-shaped structure. In the system with myoD, PEG had a similar behavior. As to the two units of myoD, it was possible to see their aggregation in the control group and the presence of EG, PEG 2, and PEG 4. However, in the presence of PEG 8 and PEG 12, their aggregation was inhibited because the two units of myoD interacted with the globular-shaped structure that PEG organized into, instead of interacting with each other. For the simulations with NaCl and Na2SO4, the salt ions didn’t appear to have a significant role in the structure of myoD and the PEG-myo interaction. However, it was possible to see that SO4 2- was the only ion that appeared to interact significantly with myoD.