Advanced

Utilizing Different Simulation Methods to Study the Structure and Aggregation of Amyloidβ, the Alzheimer Peptide

Eriksson Skog, Amanda LU (2020) KEMR18 20192
Mathematical Statistics
Common departments, the faculties of Science and Engineering
Department of Chemistry
Abstract
In this study, the two peptides Aβ40 and Aβ42, which are related to Alzheimer’s disease, was studied. The aim was to study them in bulk solution, to understand if, and in that case how, the two peptides differ in structure and aggregation be- haviours. To investigate the structure, all-atom moleuclar dynamics simulations were used, whereas the aggregation was studied using coarse-grained Monte Carlo simulations. Scattering curves obtained from both methods were compared with Small Angle X-ray Scattering data provided by Professor Hugh I. Kim. The obtained results showed no difference in aggregation between the two peptides. However, when increasing the ionic strenght of the solution, aggregation increased in both systems. The structure... (More)
In this study, the two peptides Aβ40 and Aβ42, which are related to Alzheimer’s disease, was studied. The aim was to study them in bulk solution, to understand if, and in that case how, the two peptides differ in structure and aggregation be- haviours. To investigate the structure, all-atom moleuclar dynamics simulations were used, whereas the aggregation was studied using coarse-grained Monte Carlo simulations. Scattering curves obtained from both methods were compared with Small Angle X-ray Scattering data provided by Professor Hugh I. Kim. The obtained results showed no difference in aggregation between the two peptides. However, when increasing the ionic strenght of the solution, aggregation increased in both systems. The structure analysis showed minor differences between the pep- tides, where Aβ42 was shown to have some more β-type secondary structure ele- ments, however, both peptides were shown to consist mainly of coils, bends, and turns. The comparison of the scattering curves showed that the peptides produces in the coarse-grained Monte Carlo simulations was to compact compared to the re- sults obtained with all-atom molecular dynamics, as well as the experimental SAXS data. However, when comparing the latter two, the results overlapped nicely. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Alzheimers sjukdom är den vanligaste orsaken till demens och omkring 100 000 svenskar beräknas lida av sjukdomen. Runt om i världen beräknas ungefär 50 miljoner människor lida av Alzheimers sjukdom. En peptid som är inblandad i sjukdomen är Amyloidβ som kan vara olika lång beroende på vilka APP-sekretas som klyver Amyloid-βproteinprekursor. I den här studien har de peptider med 40 (Amyloidβ40), respektive 42 aminosyror (Amyloidβ42) studerats.

Amyloidβ-peptider aggregerar lätt, och bildar då plack eller fibriller bland nervcellerna i hjärnan, vilket skadar nervcellerna. Hos unga och friska individer kan kroppen lätt bryta ner dessa skadliga peptider så att nivån av dem i hjärnan inte är för hög, men hos äldre och/eller sjuka individer är... (More)
Alzheimers sjukdom är den vanligaste orsaken till demens och omkring 100 000 svenskar beräknas lida av sjukdomen. Runt om i världen beräknas ungefär 50 miljoner människor lida av Alzheimers sjukdom. En peptid som är inblandad i sjukdomen är Amyloidβ som kan vara olika lång beroende på vilka APP-sekretas som klyver Amyloid-βproteinprekursor. I den här studien har de peptider med 40 (Amyloidβ40), respektive 42 aminosyror (Amyloidβ42) studerats.

Amyloidβ-peptider aggregerar lätt, och bildar då plack eller fibriller bland nervcellerna i hjärnan, vilket skadar nervcellerna. Hos unga och friska individer kan kroppen lätt bryta ner dessa skadliga peptider så att nivån av dem i hjärnan inte är för hög, men hos äldre och/eller sjuka individer är nedbrytningen av peptiderna försämrad, och kan då lättare aggregera. Det finns också indikationer på att den längre peptiden, Amyloidβ42, driver på aggregeringen mer än den kortare.

I den här studien undersöktes därför Amyloidβ40 och Amyloidβ42 i lösning för att undersöka om det finns några skillnader mellan hur de aggregerar, samt om det finns några strukturella skillnader mellan dem. För att göra detta har datorsimuleringar använts. För att studera aggergeringen av peptiderna har grovkorniga Monte Carlo simuleringar och all-atom molecular dynamics simuleringar har använts för att undersöka strukturen av peptiderna. Data från ljusspridningsexperiment erhållna från Professor Hugh I. Kim vid Korea University, Sydkorea, har använts i jämförelse med spridningskurvor erhållna från simuleringarna.

Resultaten från de grovkorniga Monte Carlo simuleringarna visade ingen skillnad i aggregering mellan de två peptiderna, men hurvida det beror på att det inte är någon skillnad, eller om modellen inte var detaljerad nog för att fånga skillnaderna behöver undersökas vidare. Strukturanalyserna från all-atom molecular dynamics simuleringarna visade en liten skillnad mellan peptiderna, där Amyloidβ42 visades innehålla något mer av sekundärstrukturerna β-sheets och β-bryggor. Båda peptiderna visades dock ha mest oordnad struktur (coil och bends) och vändningar (turn), där den senare också kan räknas som en oordnad struktur. I jämförelsen mellan spridningskurvorna visades den grovkorniga Monte Carlo modellen ge för kompakta strukturer i jämförelse med resultaten från molecular dynamics simuleringarna. I jämförelsen mellan kurvorna från molecular dynamics simuleringarna med de experimentella ljusspridningsresultaten visades det att resultaten stämmer väl överrens. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Eriksson Skog, Amanda LU
supervisor
organization
course
KEMR18 20192
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
IDP, Amyloid beta, Monte Carlo simulations, molecular dynamic simulations
language
English
id
9005391
date added to LUP
2020-03-06 14:16:05
date last changed
2020-03-06 14:16:05
@misc{9005391,
  abstract     = {In this study, the two peptides Aβ40 and Aβ42, which are related to Alzheimer’s disease, was studied. The aim was to study them in bulk solution, to understand if, and in that case how, the two peptides differ in structure and aggregation be- haviours. To investigate the structure, all-atom moleuclar dynamics simulations were used, whereas the aggregation was studied using coarse-grained Monte Carlo simulations. Scattering curves obtained from both methods were compared with Small Angle X-ray Scattering data provided by Professor Hugh I. Kim. The obtained results showed no difference in aggregation between the two peptides. However, when increasing the ionic strenght of the solution, aggregation increased in both systems. The structure analysis showed minor differences between the pep- tides, where Aβ42 was shown to have some more β-type secondary structure ele- ments, however, both peptides were shown to consist mainly of coils, bends, and turns. The comparison of the scattering curves showed that the peptides produces in the coarse-grained Monte Carlo simulations was to compact compared to the re- sults obtained with all-atom molecular dynamics, as well as the experimental SAXS data. However, when comparing the latter two, the results overlapped nicely.},
  author       = {Eriksson Skog, Amanda},
  keyword      = {IDP,Amyloid beta,Monte Carlo simulations,molecular dynamic simulations},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Utilizing Different Simulation Methods to Study the Structure and Aggregation of Amyloidβ, the Alzheimer Peptide},
  year         = {2020},
}