Espectrometria de massa de hidrogênio/deutério-deutério para o estudo da dinâmica estrutural alfa-sinucleína sob condições fisiológicas

A doença de Parkinson (DP) é uma doença neurodegenerativa que afeta milhões de pessoas em todo o mundo¹. Caracteriza-se pela formação de inclusões citoplasmáticas conhecidas como corpos de Lewy e neurites de Lewy na região substantia nigra pars compacta do cérebro. Essas inclusões citoplasmáticas têm sido encontradas para conter agregados da proteína intrinsecamente desordenada aSyn². Em DP e outras sinucleinopatias, aSyn se transforma de um estado solúvel desordenado em um estado doente insolúvel e altamente estruturado. Em sua forma nativa, o monoméico aSyn adota uma ampla gama de conformações estabilizadas por interações eletrostáticas de longo alcance entre suas interações N e C-termini e hidrofóbicas entre sua região de componente beta C-terminus e não amiloide (NAC) 3,4,5,6. Quaisquer interrupções nessas interações estabilizadoras, como mutações, modificações pós-translacionais e mudanças no ambiente local, podem levar ao descompos do monômero, desencadeando assim o processo de agregação⁷.

Embora exista uma vasta quantidade de pesquisa sobre as formas oligomeméricas e fibrilares de aSyn 8,9,10,11, há uma necessidade crucial de estudar a forma monomérica da proteína e entender melhor quais conformadores são funcionais (e como) e que são propensos a agregar 8,9,10,11 . Sendo intrinsecamente desordenado, apenas 14 kDa de tamanho, e difícil de cristalizar, o monômero aSyn não é favorável à maioria das técnicas biológicas estruturais. No entanto, uma técnica capaz de medir a dinâmica conformacional do aSyn monomérico é o milissegundo HDX-MS, que recentemente gerou observações estruturais importantes que seriam desafiadoras ou impossíveis de obter de outra forma 12,13,14. Milissegundos HDX-MS mede sensivelmente a média do conjunto conformacional da proteína monitorando a troca isotópica em hidrogênios amidos, indicando acessibilidade solvente e participação de rede de ligação de hidrogênio de uma determinada região proteica na escala de tempo de milissegundos. É necessário enfatizar o aspecto milissegundo do HDX-MS, pois, devido à sua natureza nativamente desdobrada e meta-estável, aSyn exibe cinética de troca de hidrogênio muito rápida que se manifestam bem abaixo do limite inferior dos sistemas HDX-MS convencionais. Por exemplo, a maioria da molécula de ASyn tem completamente trocado hidrogênio por deutério sob condições intracelulares em menos de 1 s. Vários laboratórios já construíram uma instrumentação de mistura rápida; neste caso, um protótipo de instrumento de fluxo de sada rápida capaz de executar HDX-MS com um tempo morto de 50 ms e uma resolução temporal de 1 ms é usado¹⁵. Embora o MILISSEGUD HDX-MS tenha sido recentemente extremamente importante no estudo da ASyn, é valioso estudar proteínas/regiões intrinsecamente desordenadas de forma mais ampla e um grande número de proteínas com laços/regiões que são apenas fracamente estáveis. Por exemplo, drogas de peptídeos (por exemplo, insulina; GLP-1/glucagon; proteínas de fusão de tirzepatidas) e peptídeos (por exemplo, o inibidor do HIV FN3-L35-T1144) são os principais formatos de drogas onde informações estruturais e de estabilidade em fase de solução podem ser uma entrada crítica para decisões de desenvolvimento de medicamentos, e, ainda assim, a moiety peptídeo é muitas vezes apenas fracamente estável e intratável pelo HDX-MS na escala de tempo de segundos 16,17,18,19,20 . Métodos emergentes de HDX-MS com rotulagem nos domínios de segundos/minutos têm sido mostrados para obter informações estruturais para G-quadruplexes de DNA, mas deve ser possível estender isso a estruturas oligonucleotídeos mais diversas pela aplicação de milissegundos HDX-MS²¹.

Os experimentos HDX-MS podem ser realizados em três níveis diferentes: (1) de baixo para cima (pelo qual a proteína rotulada é digerida proteolítico), (2) de baixo para baixo (pelo qual a proteína rotulada é digerida proteolyticamente, e os peptídeos resultantes são fragmentados ainda mais por técnicas de fragmentação suave) e (3) de cima para baixo (pelo qual as técnicas de fragmentação macia são diretamente fragmentadas a proteína rotulada) ²² . Assim, os dados sub-moleculares do HDX-MS permitem-nos localizar o comportamento de troca para regiões específicas de uma proteína, tornando-se fundamental ter cobertura de sequência adequada para tais experimentos. A resolução estrutural de qualquer experimento HDX-MS baseia-se no número de peptídeos ou fragmentos protelíticos derivados da proteína após a digestão ou fragmentação suave, respectivamente. Em cada um dos três tipos de experimentos descritos acima, a mudança na troca de amide em cada peptídeo/fragmento é mapeada de volta à estrutura primária da proteína para indicar o comportamento das regiões localizadas da proteína. Embora a maior resolução estrutural seja alcançada através da fragmentação suave, a descrição desses experimentos está fora do escopo do presente estudo, que se concentra na medição de conformações monômeros de aSyn. Excelentes resultados podem ser obtidos com o fluxo de trabalho “de baixo para cima” comumente aplicado descrito aqui.

Aqui, são fornecidos procedimentos sobre (1) como preparar e lidar com amostras de ASyn e buffers HDX-MS, (2) como realizar mapeamento de peptídeos para um experimento HDX-MS de baixo para cima, (3) como adquirir dados HDX-MS sobre ayn monomérica em condições fisiológicas, especificamente no domínio de tempo milissegundo (usando um instrumento personalizado; instrumentos alternativos para rotulagem de milisse e (4) como processar e analisar os dados do HDX-MS. Métodos que utilizam aSyn monomérica em pH fisiológico (7.40) em duas condições de solução são exemplificados aqui. Embora criticamente úteis no estudo de aSyn, esses procedimentos podem ser aplicados a qualquer proteína e não se limitam a proteínas intrinsecamente desordenadas.