High affinity binding of amyloid β-peptide to calmodulin: Structural and functional implications

Abstract

Los péptidos β-amiloides (Aβ) son una de las principales características de la enfermedad de Alzheimer (EA) y su neurotoxicidad se desarrolla con la desregulación del calcio citosólico. Por otro lado, se ha demostrado que la calmodulina (CaM), una proteína que desempeña un importante papel multifuncional en la señalización neuronal del calcio, está implicada en la regulación del procesamiento no amiloidogénico de la proteína precursora β-amiloide (APP). Utilizando derivados fluorescentes 6-bromoacetyl-2-dimethylaminonaphthalene de CaM, Badan-CaM, y amiloide β(1-42) humano HiLyte™-Fluor555, mostramos en este trabajo que Aβ se une con alta afinidad a CaM a través del dominio neurotóxico Aβ25-35. Además, la afinidad de Aβ por la conformación CaM saturada de calcio es aproximadamente 20 veces mayor que por la conformación CaM en ausencia de calcio (apoCaM). Además, el valor de Kd de 0,98±0,11 nM obtenido para la disociación de Aβ1-42 de CaM saturada por calcio señala que CaM es una de las dianas celulares con mayor afinidad por los péptidos Aβ neurotóxicos. Una consecuencia funcional importante de la interacción Aβ-CaM es que ralentiza la fibrilación de Aβ. La interacción novedosa y de alta afinidad entre la calmodulina y Aβ mostrada en este trabajo abre una puerta aún inexplorada para comprender mejor el efecto neurotóxico de Aβ en diferentes células neuronales y también para abordar el potencial de la calmodulina y los péptidos derivados de la calmodulina como agentes terapéuticos en la EA.

Amyloid β-peptides (Aβ) are a major hallmark of Alzheimer’s disease (AD) and their neurotoxicity develop with cytosolic calcium dysregulation. On the other hand, calmodulin (CaM), a protein which plays a major multifunctional role in neuronal calcium signaling, has been shown to be involved in the regulation of non-amyloidogenic processing of amyloid β precursor protein (APP). Using fluorescent 6-bromoacetyl-2-dimethylaminonaphthalene derivatives of CaM, Badan-CaM, and human amyloid β(1-42) HiLyte™-Fluor555, we show in this work that Aβ binds with high affinity to CaM through the neurotoxic Aβ25-35 domain. In addition, the affinity of Aβ for calcium-saturated CaM conformation is approximately 20-fold higher than for CaM conformation in the absence of calcium (apoCaM). Moreover, the value of Kd of 0.98±0.11 nM obtained for Aβ1-42 dissociation from CaM saturated by calcium point out that CaM is one of the cellular targets with highest affinity for neurotoxic Aβ peptides. A major functional consequence of Aβ-CaM interaction is that it slowdowns Aβ fibrillation. The novel and high affinity interaction between calmodulin and Aβ shown in this work opens a yet-unexplored gateway to further understand the neurotoxic effect of Aβ in different neural cells and also to address the potential of calmodulin and calmodulin-derived peptides as therapeutic agents in AD.