Abstract Apolipoprotein A-I (apoA-I) has a key function in the reverse cholesterol transport mediated by the high density lipoprotein (HDL) particles. However, aggregation of apoA-I single point mutants can lead to hereditary amyloid pathology. Although several studies have tackled the biophysical and structural impacts introduced by these mutations, there is little information addressing the relationship between the evolutionary and structural features that contribute to the amyloid behavior of apoA-I. We combined evolutionary studies, in silico mutagenesis and molecular dynamics (MD) simulations to provide a comprehensive analysis of the conservation and pathogenic role of the aggregation-prone regions (APRs) present in apoA-I. Sequence analysis demonstrated that among the four amyloidogenic regions described for human apoA-I, only two (APR1 and APR4) are evolutionary conserved across different species of Sarcopterygii. Moreover, stability analysis carried out with the FoldX engine showed that APR1 contributes to the marginal stability of apoA-I. Structural properties of the full-length apoA-I model suggest that aggregation is avoided by placing APRs into highly packed and rigid portions of its native fold. Following we set up to study the effect of natural mutations on protein conformation and stability. Compared to natural silent variants extracted from the gnomAD database, the thermodynamic and pathogenic impact of apoA-I amyloid mutations showed evidence of a higher destabilizing effect. MD simulations of the amyloid variant G26R evidenced the partial unfolding of the alpha-helix bundle with the concomitant exposure of APR1 to the solvent and the formation of beta-sheet segments at the C-terminus of apoA-I, giving a possible hint about the early steps involved in its aggregation. Our findings highlight APR1 as a relevant component for apoA-I structural integrity and emphasize a destabilizing effect of amyloid variants that leads to the exposure of this region. This information contributes to our understanding of how apoA-I, with its high degree of structural flexibility, maintains a delicate equilibrium between its monomeric native structure and intrinsic tendency to form amyloid aggregates. In addition, our stability measurements could be used as a proxy to interpret the structural impact of new mutations.

Tne capability to handle highly heterogeneous molecular assemblies in a consistent manner is among the greatest challenges faced when deriving simulation parameters. This is particularly the case for coarse-grained simulations in which chemical functional groups are lumped into effective interaction centers for which transferability between different chemical environments is not guaranteed. Here we introduce the parameterization of a set of CG phospholipids compatible with the latest version of the SIRAH force field for proteins. The newly introduced lipid species include different acylic chain lengths, partial unsaturation, as well as polar and acidic head groups that show a very good reproduction of structural membrane determinants, as areas per lipid, thickness, order parameter, etc., and their dependence with temperature. Simulation of membrane proteins showed unprecedented accuracy in the unbiased description of the thickness-dependent membrane-protein orientation in systems where this information is experimentally available (namely, the SarcoEndoplasmic Reticulum Calcium –SERCA-pump and its regulator Phospholamban). The interactions that lead to this faithful reproduction can be traced down to single amino acid-lipid interaction level and show full agreement with biochemical data present in the literature. Finally, the present parameterization is implemented in the GROMACS and AMBER simulation packages facilitating its use to a wide portion of the Biocomputing community.

A new version of the coarse-grained (CG) SIRAH force field for proteins has been developed. Modifications to bonded and non-bonded interactions on the existing molecular topologies significantly ameliorate the structural description and flexibility of a non-redundant set of proteins. The SIRAH 2.0 force field has also been ported to the popular simulation package AMBER, which along with the former implementation in GROMACS expands significantly the potential range of users and performance of this CG force field on CPU/GPU codes. As a non-trivial example of application, we undertook the structural and dynamical analysis of the most abundant and conserved calcium-binding protein, namely, Calmodulin (CaM). CaM is constituted by two calcium-binding motifs called EF-hands, which in presence of Calcium specifically recognize a cognate peptide by embracing it. CG simulations of CaM bound to four Calcium ions in the presence or absence of a binding peptide (holo and apo forms, respectively), resulted in good and stable ion coordination. The simulation of the holo form starting from an experimental structure sampled near-native conformations, retrieving quasi-atomistic precision. Removing the binding peptide enabled the EF-hands to perform large reciprocal movements, comparable to those observed in NMR structures. On the other hand, the isolated peptide starting from the helical conformation experienced spontaneous unfolding, in agreement with previous experimental data. However, repositioning the peptide in the neighborhood of one EF-hand not only prevented the peptide unfolding but also drove CaM to a fully bound conformation with both EF-hands embracing the cognate peptide, resembling the experimental holo structure. Therefore, SIRAH 2.0 showed the capacity to handle a number of structurally and dynamically challenging situations including metal ion coordination, unbiased conformational sampling, and specific protein-peptide recognition.

ABSTRACT Poly glutamine and glutamine-rich peptides play a central role in a plethora of pathological aggregation events. However, biophysical characterization of soluble oligomers —the most toxic species involved in these processes— remains elusive due to their structural heterogeneity and dynamical nature. Here, we exploit the high spatio-temporal resolution of simulations as a computational microscope to characterize the aggregation propensity and morphology of a series of polyglutamine and glutamine-rich peptides. Comparative analysis of ab-initio aggregation pinpointed a double role for glutamines. In the first phase, glutamines mediate seeding by pairing monomeric peptides, which serve as primers for higher-order nucleation. According to the glutamine content, these low molecular-weight oligomers may then proceed to create larger aggregates. Once within the aggregates, buried glutamines continue to play a role in their maturation by optimizing solvent-protected hydrogen bonds networks. TOC / Abstract Figure