Particles in simulations are traditionally endowed with fixed interactions. While this is appropriate for particles representing atoms or molecules, objects with significant internal dynamics—like sequences of amino acids or even an entire protein—are poorly modelled by invariable particles. We develop a highly coarse grained polymorph patchy particle with the ultimate aim of simulating proteins as chains of particles at the secondary structure level. Conformational changes, e.g., a transition between disordered and β-sheet states, are accommodated by internal coordinates that determine the shape and interaction characteristics of the particles. The internal coordinates, as well as the particle positions and orientations, are propagated by Brownian Dynamics in response to their local environment. As an example of the potential offered by polymorph particles, we model the amyloidogenic intrinsically disordered protein α-synuclein, involved in Parkinson’s disease, as a single particle with two internal states. The simulations yield oligomers of particles in the disordered state and fibrils of particles in the “misfolded” cross-β-sheet state. The aggregation dynamics is complex, as aggregates can form by a direct nucleation-and-growth mechanism and by two-step-nucleation through conversions between the two cluster types. The aggregation dynamics is complex, with fibrils formed by direct nucleation-and-growth, by two-step-nucleation through the conversion of an oligomer and by auto-catalysis of this conversion.

1.
R. L.
Redler
,
D.
Shirvanyants
,
O.
Dagliyan
,
F.
Ding
,
D. N.
Kim
,
P.
Kota
,
E. A.
Proctor
,
S.
Ramachandran
,
A.
Tandon
, and
N. V.
Dokholyan
,
J. Mol. Cell Biol.
6
,
104
(
2014
).
2.
K.
Lindorff-Larsen
,
S.
Piana
,
R. O.
Dror
, and
D. E.
Shaw
,
Science
334
,
517
(
2011
).
3.
J. E.
Straub
and
D.
Thirumalai
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
20
,
187
(
2010
).
4.
K. A.
Ball
,
D. E.
Wemmer
, and
T.
Head-Gordon
,
J. Phys. Chem. B
118
,
6405
(
2014
).
5.
J. A.
Luiken
and
P. G.
Bolhuis
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
10556
(
2015
).
6.
C.
Wu
and
J.-E.
Shea
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
21
,
209
(
2011
).
7.
I. M.
Ilie
,
W. K.
den Otter
, and
W. J.
Briels
, “
The attachment of α-synuclein to a fiber: A coarse grained approach
” (unpublished).
8.
B.
Silva
,
L.
Breydo
,
A.
Fink
, and
V.
Uversky
,
Mol. Neurobiol.
47
,
598
(
2013
).
9.
C. W.
Olanow
and
P.
Brundin
,
Mov. Disord.
28
,
31
(
2013
).
10.
N. A.
Haelterman
,
W. H.
Yoon
,
H.
Sandoval
,
M.
Jaiswal
,
J. M.
Shulman
, and
H. J.
Bellen
,
Annu. Rev. Neurosci.
37
,
137
(
2014
).
11.
O. W.
Wan
and
K. K. K.
Chung
,
PLoS ONE
7
,
e38545
(
2012
).
12.
E.
Maries
,
B.
Dass
,
T. J.
Collier
,
J. H.
Kordower
, and
K.
Steece-Collier
,
Nat. Rev. Neurosci.
4
,
727
(
2003
).
13.
H.
Chaudhary
,
A. N. D.
Stefanovic
,
V.
Subramaniam
, and
M. M. A. E.
Claessens
,
FEBS Lett.
588
,
4457
(
2015
).
14.
M. A.
Chabrier
,
D.
Cheng
,
N. A.
Castello
,
K. N.
Green
, and
F. M.
LaFerla
,
Neurobiol. Dis.
64
,
107
(
2014
).
15.
A.
Griciuc
,
A.
Serrano-Pozo
,
A. R.
Parrado
,
A. N.
Lesinski
,
C. N.
Asselin
,
K.
Mullin
,
B.
Hooli
,
S. H.
Choi
,
B. T.
Hyman
, and
R. E.
Tanzi
,
Neuron
78
,
631
(
2013
).
16.
J. L.
Crimins
,
A.
Pooler
,
M.
Polydoro
,
J. I.
Luebke
, and
T. L.
Spires-Jones
,
Ageing Res. Rev.
12
,
757
(
2013
).
17.
T. P. J.
Knowles
,
M.
Vendruscolo
, and
C. M.
Dobson
,
Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
15
,
384
(
2014
).
18.
V. N.
Uversky
,
C. J.
Oldfield
, and
A. K.
Dunker
,
Annu. Rev. Biophys.
37
,
215
(
2008
).
19.
P.
Tompa
and
A.
Fershtr
,
Structure and Function of Intrinsically Disordered Proteins
(
Chapman and Hall/CRC
,
2009
).
20.
S.
Tomaselli
,
V.
Esposito
,
P.
Vangone
,
N. A. J.
van Nuland
,
A. M. J. J.
Bonvin
,
R.
Guerrini
,
T.
Tancredi
,
P. A.
Temussi
, and
D.
Picone
,
ChemBioChem
7
,
257
(
2006
).
21.
W. S.
Woods
,
J. M.
Boettcher
,
D. H.
Zhou
,
K. D.
Kloepper
,
K. L.
Hartman
,
D. T.
Ladror
,
Z.
Qi
,
C. M.
Rienstra
, and
J. M.
George
,
J. Biol. Chem.
282
,
34555
(
2007
).
22.
I.
Dikiy
and
D.
Eliezer
,
Biochim. Biophys. Acta, Biomembr.
1818
,
1013
(
2012
).
23.
N. C.
Maiti
,
M. M.
Apetri
,
M. G.
Zagorski
,
P. R.
Carey
, and
V. E.
Anderson
,
J. Am. Chem. Sci.
126
,
2399
(
2004
).
24.
M.
Vilar
,
H.-T.
Chou
,
T.
Lührs
,
S. K.
Maji
,
D.
Riek-Loher
,
R.
Verel
,
G.
Manning
,
H.
Stahlberg
, and
R.
Riek
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
105
,
8637
(
2008
).
26.
I.
Benilova
,
E.
Karran
, and
B.
De Strooper
,
Nat. Neurosci.
15
,
349
(
2012
).
27.
A.
Stefanovic
,
M.
Stockl
,
M.
Claessens
, and
V.
Subramaniam
,
FEBS J.
281
,
2838
(
2014
).
28.
M. E.
van Raaij
,
I. M.
Segers-Nolten
, and
V.
Subramaniam
,
Biophys. J.
91
,
L96
(
2006
).
29.
H. A.
Lashuel
,
O. C. R.
,
A.
Oueslati
, and
E.
Masliah
,
Nat. Rev.
14
,
38
(
2013
).
30.
F.
Bemporad
and
F.
Chiti
,
Chem. Biol.
19
,
315
(
2012
).
31.
S. I. A.
Cohen
,
P.
Arosio
,
J.
Presto
,
F. R.
Kurudenkandy
,
H.
Biverstål
,
L.
Dolfe
,
C.
Dunning
,
X.
Yang
,
B.
Frohm
,
M.
Vendruscolo
,
J.
Johansson
,
C. M.
Dobson
,
A.
Fisahn
,
T. P. J.
Knowles
, and
S.
Linse
,
Nat. Struct. Mol. Biol.
22
,
207
(
2015
).
32.
D.
Scott
,
I.
Tabarean
,
Y.
Tang
,
A.
Cartier
,
E.
Masliah
, and
S.
Roy
,
J. Neurosci.
30
,
8083
(
2010
).
33.
A.
Oueslati
,
K. E.
Paleologou
,
B. L.
Schneider
,
P.
Aebischer
, and
H. A.
Lashuel
,
J. Neurosci.
32
,
1536
(
2012
).
34.
O.
Marques
and
T. F.
Outeiro
,
Cell Death Dis.
3
,
e350
(
2012
).
35.
M.
Stefani
and
C. M.
Dobson
,
J. Mol. Med.
81
,
678
(
2003
).
36.
37.
P.
Tompa
,
E.
Schad
,
A.
Tantos
, and
L.
Kalmar
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
35
,
49
(
2015
).
38.
V. N.
Uversky
,
J.
Li
, and
A. L.
Fink
,
J. Biol. Chem.
276
,
10737
(
2001
).
39.
B.
Caughey
,
J.
Peter
, and
T.
Lansbury
,
Annu. Rev. Neurosci.
26
,
267
(
2003
).
40.
L.
Giehm
,
D. I.
Svergun
,
D. E.
Otzen
, and
B.
Vestergaard
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
108
,
3246
(
2011
).
41.
N.
Zijlstra
,
C.
Blum
,
I. M. J.
Segers-Nolten
,
M. M. A. E.
Claessens
, and
V.
Subramaniam
,
Angew. Chem.
124
,
8951
(
2012
).
42.
K.
Ono
,
M. M.
Condron
, and
D. B.
Teplow
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
106
,
14745
(
2009
).
43.
H. A.
Lashuel
,
B. M.
Petre
,
J.
Wall
,
M.
Simon
,
R. J.
Nowak
,
T.
Walz
, and
P. T. L.
, Jr.
,
J. Mol. Biol.
322
,
1089
(
2002
).
44.
H. A.
Lashuel
,
D.
Hartley
,
B. M.
Petre
,
T.
Walz
, and
P. T.
Lansbury
,
Nature
418
,
291
(
2002
).
45.
M. E.
van Raaij
,
J.
van Gestel
,
I. M.
Segers-Nolten
,
S. W.
de Leeuw
, and
V.
Subramaniam
,
Biophys. J.
95
,
4871
(
2008
).
46.
S. A.
Semerdzhiev
,
D. R.
Dekker
,
V.
Subramaniam
, and
M. M. A. E.
Claessens
,
ACS Nano
8
,
5543
(
2014
).
47.
J. D.
Schmit
,
K.
Ghosh
, and
K.
Dill
,
Biophys. J.
100
,
450
(
2011
).
48.
J.
Zhang
and
M.
Muthukumar
,
J. Chem. Phys.
130
,
035102
(
2009
).
49.
F.
Sciortino
,
E.
Bianchi
,
J. F.
Douglas
, and
P.
Tartaglia
,
J. Chem. Phys.
126
,
194903
(
2007
).
50.
R.
Pellarin
,
E.
Guarnera
, and
A.
Caflisch
,
J. Mol. Biol.
374
,
917
(
2007
).
51.
R.
Pellarin
,
P.
Schuetz
,
E.
Guarnera
, and
A.
Caflisch
,
J. Am. Chem. Sci.
132
,
14960
(
2010
).
52.
B.
Barz
and
B.
Urbanc
,
J. Phys. Chem. B
118
,
3761
(
2014
).
53.
N. S.
Bieler
,
T. P. J.
Knowles
,
D.
Frenkel
, and
R.
Vacha
,
PLoS Comput. Biol.
8
,
e1002692
(
2012
).
54.
A.
Saric
,
Y. C.
Chebaro
,
T. P. J.
Knowles
, and
D.
Frenkel
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
111
,
17869
(
2014
).
55.
A.
Saric
,
A. K.
Buell
,
T. C.
Michaels
,
S.
Linse
,
T. P. J.
Knowles
, and
D.
Frenkel
, “
Physical determinants for the self-replication of protein fibrils
” (unpublished).
56.
I. M.
Ilie
,
W. J.
Briels
, and
W. K.
den Otter
,
J. Chem. Phys.
142
,
114103
(
2015
).
57.
S. L.
Bernstein
,
D.
Liu
,
T.
Wyttenbach
,
M. T.
Bowers
,
J. C.
Lee
,
H. B.
Gray
, and
J. R.
Winkler
,
J. Am. Soc. Mass Spectrom.
15
,
1435
(
2004
).
58.
J. C.
Kessler
,
J.-C.
Rochet
, and
P. T.
Lansbury
,
Biochemistry
42
,
672
(
2003
).
59.
N.
Lorenzen
,
L.
Lemminger
,
J. N.
Pedersen
,
S. B.
Nielsen
, and
D. E.
Otzen
,
FEBS Lett.
588
,
497
(
2014
).
60.
D.-P.
Hong
,
W.
Xiong
,
J.-Y.
Chang
, and
C.
Jiang
,
FEBS Lett.
585
,
561
(
2011
).
61.
C.
Vega
and
S.
Lago
,
Comput. Chem.
18
,
55
(
1994
).
62.
A.
Sidhu
,
I.
Segers-Nolten
, and
V.
Subramaniam
,
Biochim. Biophys. Acta, Proteins Proteomics
1844
,
2127
(
2014
).
63.
L.
Bousset
,
L.
Pieri
,
G.
Ruiz-Arlandis
,
J.
Gath
,
P. H.
Jensen
,
B.
Habenstein
,
K.
Madiona
,
V.
Olieric
,
A.
Böckmann
,
B. H.
Meier
, and
R.
Melki
,
Nat. Commun.
4
,
2575
(
2013
).
64.
H. C.
Öttinger
,
Stochastic Processed in Polymeric Fluids
(
Springer
,
1996
).
65.
C. W.
Gardiner
,
Handbook of Stochastic Methods for Physics, Chemistry and the Natural Sciences
, 3rd ed.
Springer Series in Synergetics
Vol.
13
(
Springer-Verlag
,
Berlin
,
2004
), p.
XVIII+415
.
66.
S. N.
Naess
and
A.
Elgsaeter
,
Macromol. Theory Simul.
13
,
419
(
2004
).
67.
T. R.
Evensen
,
S. N.
Naess
, and
A.
Elgsaeter
,
Macromol. Theory Simul.
17
,
121
(
2008
).
68.
T. R.
Evensen
,
A.
Elgsaeter
, and
S. N.
Naess
,
Colloids Surf., B
56
,
80
(
2007
).
69.
T. R.
Evensen
,
S. N.
Naess
, and
A.
Elgsaeter
,
Macromol. Theory Simul.
18
,
50
(
2009
).
70.
T. R.
Evensen
,
S. N.
Naess
, and
A.
Elgsaeter
,
Macromol. Theory Simul.
17
,
403
(
2008
).
71.
J.-P.
Ryckaert
,
G.
Ciccotti
, and
H. J.
Berendsen
,
J. Comput. Phys.
23
,
327
(
1977
).
72.
S. D.
Stoddard
,
J. Comput. Phys.
27
,
291
(
1978
).
73.
W.
Humphrey
,
A.
Dalke
, and
K.
Schulten
,
J. Mol. Graphics
14
,
33
(
1996
).
74.
S. E.
Blondelle
,
B.
Forood
,
R. A.
Houghten
, and
E.
Pérez-Payá
,
Biochemistry
36
,
8393
(
1997
).
75.
M.
Fändrich
and
C. M.
Dobson
,
EMBO J.
21
,
5682
(
2002
).
76.
S.
Auer
,
C. M.
Dobson
, and
M.
Vendruscolo
,
HFSP J.
1
,
137
(
2007
).
77.
B.
Ma
and
R.
Nussinov
,
Protein Sci.
11
,
2335
(
2002
).
78.
R.
Pellarin
and
A.
Caflisch
,
J. Mol. Biol.
360
,
882
(
2006
).
79.
B.
van Rooijen
,
K.
van Leijenhorst-Groener
,
M.
Claessens
, and
V.
Subramaniam
,
J. Mol. Biol.
394
,
826
(
2009
).
80.
H.-Y.
Kim
,
M.-K.
Cho
,
A.
Kumar
,
E.
Maier
,
C.
Siebenhaar
,
S.
Becker
,
C. O.
Fernandez
,
H. A.
Lashuel
,
R.
Benz
,
A.
Lange
, and
M.
Zweckstetter
,
J. Am. Chem. Sci.
131
,
17482
(
2009
).
81.
M. M.
Apetri
,
N. C.
Maiti
,
M. G.
Zagorski
,
P. R.
Carey
, and
V. E.
Anderson
,
J. Mol. Biol.
355
,
63
(
2006
).
82.
W.
Hoyer
,
D.
Cherny
,
V.
Subramaniam
, and
T. M.
Jovin
,
J. Mol. Biol.
340
,
127
(
2004
).
83.
S. R.
Aragon
and
D.
Flamik
,
Macromolecules
42
,
6290
(
2009
).
84.
G. H.
Koenderink
and
A. P.
Philipse
,
Langmuir
16
,
5631
(
2000
).
You do not currently have access to this content.