Light chains amyloidosis : in silico study on the role of copper ions and immunoglobulin light chains stability in oxidative stress and cardiotoxicity

Light chain amyloidosis is the most common type of amyloidosis, and it is due to an overproduction of misfolded immunoglobulin light chains by a plasma cell clone. These proteins deposit in target organs such as the heart in form of fibrils, damaging the tissue. The same effect is not present, however, in case of multiple myeloma, despite the similarity between multiple myeloma and amyloidogenic proteins. That is the reason why multiple myeloma light chains ae used as negative control. It seems that the production of toxic reactive oxygen species is due to the interaction between copper ions and the cysteine residues of light chain monomers. In this work we employed molecular dynamics techniques to study the interaction between cuprous ions and both the light chain monomers and the fibrils. We observed a particular affinity for negatively charged residues, without distinction between multiple myeloma and amyloidogenic light chains. Moreover, since we believe that cysteine exposure to the environment in amyloidogenic proteins is the reason why it can interact with the copper ions, we investigated the difference in stability between multiple myeloma and amyloidogenic proteins. Finally, starting from a publication where a mutant version of an amyloidogenic light chain proved to be both harmless and more stable than the original form, we designed several mutant versions of the amyloidogenic proteins at our disposal. Interestingly, studying the stability of these engineered structures, we found out that there is at least one mutant that is more stable than the original protein, paving the way for further in vitro and in vivo studies on the designed light chains.

L’amiloidosi a catene leggere è il tipo più comune di amiloidosi, ed è dovuta ad una sovraproduzione, da parte di un clone di plasmacellula, di catene leggere di immunoglobulina misfoldate. Queste si depositano in organi bersaglio come il cuore provocando danni al tessuto. Lo stesso effetto non è invece dato da catene leggere presenti nel mieloma multiplo, usate come controllo negativo per la similarità con le catene leggere presenti nell’amiloidosi. In particolare, si ritiene che l’interazione tra residui di cisteina presenti nei monomeri e gli ioni rame sia la causa principale della produzione di specie reattive dell’ossigeno. Nel presente lavoro si studia tramite metodi di dinamica molecolare l’interazione che occorre tra gli ioni rame e catene leggere, sia in forma fibrillare che con i monomeri, osservando una particolare affinità con i residui carichi negativamente, senza distinzione tra i due tipi di catene leggere analizzate. Inoltre, viene studiata la differenza di stabilità tra catene di amiloidosi e di mieloma multiplo, dal momento che ad essa è imputata un’esposizione della cisteina, normalmente situata nella parte centrale della proteina, da parte delle proteine amiloidogeniche. Infine, partendo da uno studio in cui una versione con delle mutazioni di una catena leggera si è dimostrata contemporaneamente più stabile dell’originale e non tossica, sono state ingegnerizzate dei mutanti delle catene leggere studiate. Conducendo degli studi di stabilità abbiamo provato che esiste almeno una versione di ogni proteina amiloidogenica più stabile dell’originale, spianando la strada per la possibile produzione e studio in vitro ed in vivo di queste varianti.