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.

Abstract Background The identification of dysfunctional human apolipoprotein A-I (apoA-I) in atherosclerotic plaques suggests that protein structure and function may be hampered under a chronic pro inflammatory scenario. Moreover, the fact that natural mutants of this protein elicit severe cardiovascular diseases (CVD) strongly indicates that the native folding could shift due to the mutation, yielding a structure more prone to misfold or misfunction. To understand the events that determine the failure of apoA-I structural flexibility to fulfill its protective role, we took advantage of the study of a natural variant with a deletion of the residue lysine 107 (K107del) associated with atherosclerosis. Methods Biophysical approaches, such as electrophoresis, fluorescence and spectroscopy were used to characterize proteins structure and function, either in the native conformation or under oxidation or intramolecular crosslinking. Results K107del structure was more flexible than the protein with the native sequence (Wt) but interactions with artificial membranes were preserved. Instead, structural restrictions by intramolecular crosslinking impaired the Wt and K107del lipid solubilization function. In addition, controlled oxidation decreased the yield of the native dimer conformation for both variants. Conclusions We conclude that even though mutations may alter protein structure and spatial arrangement, the highly flexible conformation compensates the mild shift from the native folding. Instead, post translational apoA-I modifications (probably chronic and progressive) are required to raise a protein conformation with significant loss of function and increased aggregation tendency. General Significance The results learnt from this variant strength a close association between amyloidosis and atherosclerosis. Graphical abstract Highlights -Oxidation is clue to induce protein misfolding -Natural mutation does not seem critical as a sole reason to determine pathogenicity -Atherosclerosis and amyloidosis are closely related -Intramolecular crosslinking restrains protein flexibility and function

Since the early description of different human apolipoprotein A-I variants associated to amyloidosis, the reason that determines its deposition inducing organ failure has been under research. To shed light into the events associated to protein aggregation, we studied the effect of the structural perturbations induced by the replacement of a Leucine in position 60 by an Arginine as it occurs in the natural amyloidogenic variant (L60R). Circular dichroism, intrinsic fluorescence measurements and assays of binding to ligands indicate that L60R is more unstable, more sensitive to proteolysis and interacts with sodium dodecyl sulfate (a model of negative lipids) more than the protein with the native sequence and other natural variant tested, involving a replacement of a Trytophan by and Arginine in the amino acid 50 (W50R). In addition, the small structural rearrangement observed under physiological pH leads to the release of tumor necrosis factor α and interleukin-1β from a model of macrophages. Our results strongly suggest that the chronic disease may be a consequence of the loss in the native conformation which alters the equilibrium among native and cytotoxic proteins conformation.

Abstract We suggest that the structural flexibility is key for certain proteins in order to fulfill functions that are required to interact with biological membranes, and that intra-chain chemical crosslinking may result in a different arrangement of protein with lipids. As interaction with biological membranes and lipids is a function attributed to many proteins in circulation, we intended to characterize an experimental design that helps in the study of many biological protein structures and their function. But in addition, by introducing intra-chain crosslinking, we obtained discoidal nano platforms that are stable under different conditions of temperate and time incubation. These platforms might be an excellent model to employ as biological carriers of intrinsic or external molecules. Thus, data shown here clearly strengthen the usefulness of an easy, accessible and inexpensive tool not only to study protein-lipid interactions, but to be used in different biological fields that require the transport of organic compounds.