We present simulations of the amyloidogenic core of α-synuclein, the protein causing Parkinson’s disease, as a short chain of coarse-grain patchy particles. Each particle represents a sequence of about a dozen amino acids. The fluctuating secondary structure of this intrinsically disordered protein is modelled by dynamic variations of the shape and interaction characteristics of the patchy particles, ranging from spherical with weak isotropic attractions for the disordered state to spherocylindrical with strong directional interactions for a β-sheet. Flexible linkers between the particles enable sampling of the tertiary structure. This novel model is applied here to study the growth of an amyloid fibril, by calculating the free energy profile of a protein attaching to the end of a fibril. The simulation results suggest that the attaching protein readily becomes trapped in a mis-folded state, thereby inhibiting further growth of the fibril until the protein has readjusted to conform to the fibril structure, in line with experimental findings and previous simulations on small fragments of other proteins.

1.
C. M.
Dobson
,
Semin. Cell Dev. Biol.
15
,
3
(
2004
).
2.
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
).
3.
B.
Caughey
and
P. T.
Lansbury
,
Annu. Rev. Neurosci.
26
,
267
(
2003
).
4.
H. A.
Lashuel
,
C. R.
Overk
,
A.
Oueslati
, and
E.
Masliah
,
Nat. Rev. Neurosci.
14
,
38
(
2013
).
5.
A.
Oueslati
,
K. E.
Paleologou
,
B. L.
Schneider
,
P.
Aebischer
, and
H. A.
Lashuel
,
J. Neurosci.
32
,
1536
(
2012
).
6.
A.
Recasens
,
B.
Dehay
,
J.
Bové
,
I.
Carballo-Carbajal
,
S.
Dovero
,
A.
Pérez-Villalba
,
P.-O.
Fernagut
,
J.
Blesa
,
A.
Parent
,
C.
Perier
,
I.
Fariñas
,
J. A.
Obeso
,
E.
Bezard
, and
M.
Vila
,
Ann. Neurol.
75
,
351
(
2014
).
7.
J. T.
Berryman
,
S. E.
Radford
, and
S. A.
Harris
,
Biophys. J.
100
,
2234
(
2011
).
8.
M. R.
Smaoui
,
F.
Poitevin
,
M.
Delarue
,
P.
Koehl
,
H.
Orland
, and
J.
Waldispühl
,
Biophys. J.
104
,
683
(
2013
).
9.
B. H.
Toyama
and
J. S.
Weissman
,
Annu. Rev. Biochem.
80
,
557
(
2011
).
10.
W. T.
Astbury
,
S.
Dickinson
, and
K.
Bailey
,
Biochem. J.
29
,
2351
(
1935
).
11.
L. C.
Serpell
,
J.
Berriman
,
R.
Jakes
,
M.
Goedert
, and
R. A.
Crowther
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
97
,
4897
(
2000
).
12.
M.
Arai
,
K.
Sugase
,
H. J.
Dyson
, and
P. E.
Wright
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
,
9614
(
2015
).
13.
A.
Der-Sarkissian
,
C. C.
Jao
,
J.
Chen
, and
R.
Langen
,
J. Biol. Chem.
278
,
37530
(
2003
).
14.
H.
Heise
,
W.
Hoyer
,
S.
Becker
,
O. C.
Andronesi
,
D.
Riedel
, and
M.
Baldus
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
102
,
15871
(
2005
).
15.
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
).
16.
M. M.
Wördehoff
,
O.
Bannach
,
H.
Shaykhalishahi
,
A.
Kulawik
,
S.
Schiefer
,
D.
Willbold
,
W.
Hoyer
, and
E.
Birkmann
,
J. Mol. Biol.
427
,
1428
(
2015
).
17.
T.
Ban
,
M.
Hoshino
,
S.
Takahashi
,
D.
Hamada
,
K.
Hasegawa
,
H.
Naiki
, and
Y.
Goto
,
J. Mol. Biol.
344
,
757
(
2004
).
18.
J.
Ferkinghoff-Borg
,
J.
Fonslet
,
C. B.
Andersen
,
S.
Krishna
,
S.
Pigolotti
,
H.
Yagi
,
Y.
Goto
,
D.
Otzen
, and
M. H.
Jensen
,
Phys. Rev. E
82
,
010901
(
2010
).
19.
W.
Hoyer
,
D.
Cherny
,
V.
Subramaniam
, and
T. M.
Jovin
,
J. Mol. Biol.
340
,
127
(
2004
).
20.
M.
Fuxreiter
,
Computational Approaches to Protein Dynamics: From Quantum to Coarse-Grained Methods
, Series in Computational Biophysics (
Taylor & Francis
,
2014
).
21.
C.
Clementi
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
18
,
10
(
2008
).
22.
V.
Tozzini
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
15
,
144
(
2005
).
23.
J.
Yoon
,
J.
Park
,
S.
Jang
,
K.
Lee
, and
S.
Shin
,
J. Biomol. Struct. Dyn.
25
,
505
(
2008
).
24.
A.
Irbäck
and
S.
Mohanty
,
Computational Methods to Study the Structure and Dynamics of Biomolecules and Biomolecular Processes
(
Springer Berlin Heidelberg
,
2014
), Vol. 1, pp.
433
444
.
25.
L.
Liu
and
Z.
Cao
,
Int. J. Mol. Sci.
14
,
10896
(
2013
).
26.
A.
Zhmurov
,
O.
Kononova
,
R. I.
Litvinov
,
R. I.
Dima
,
V.
Barsegov
, and
J. W.
Weisel
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
20396
(
2012
).
27.
R.
Qi
,
Y.
Luo
,
B.
Ma
,
R.
Nussinov
, and
G.
Wei
,
Biomacromolecules
15
,
122
(
2014
).
28.
K. K.
Sahu
,
M. T.
Woodside
, and
J. A.
Tuszynski
,
Biochimie
116
,
133
(
2015
).
29.
G.
Bellesia
and
J.-E.
Shea
,
J. Chem. Phys.
131
,
111102
(
2009
).
30.
S.
Abeln
and
D.
Frenkel
,
Biophys. J.
100
,
693
(
2011
).
31.
R.
Ni
,
S.
Abeln
,
M.
Schor
,
M. A.
Cohen Stuart
, and
P. G.
Bolhuis
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
058101
(
2013
).
32.
S.
Abeln
,
M.
Vendruscolo
,
C. M.
Dobson
, and
D.
Frenkel
,
PLoS One
9
,
e85185
(
2014
).
33.
R.
Pellarin
,
E.
Guarnera
, and
A.
Caflisch
,
J. Mol. Biol.
374
,
917
(
2007
).
34.
R.
Pellarin
and
A.
Caflisch
,
J. Mol. Biol.
360
,
882
(
2006
).
35.
B.
Barz
and
B.
Urbanc
,
J. Phys. Chem. B
118
,
3761
(
2014
).
36.
N. S.
Bieler
,
T. P. J.
Knowles
,
D.
Frenkel
, and
R.
Vacha
,
PLoS Comput. Biol.
8
,
e1002692
(
2012
).
37.
A.
Saric
,
Y. C.
Chebaro
,
T. P. J.
Knowles
, and
D.
Frenkel
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
111
,
17869
(
2014
).
38.
A.
Saric
,
A. K.
Buell
,
G.
Meisl
,
T. C. T.
Michaels
,
C. M.
Dobson
,
S.
Linse
,
T. P. J.
Knowles
, and
D.
Frenkel
,
Nat. Phys.
12
,
874
(
2016
).
39.
R.
Vacha
,
S.
Linse
, and
M.
Lund
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
11776
(
2014
).
40.
I. M.
Ilie
,
W. K.
den Otter
, and
W. J.
Briels
,
J. Chem. Phys.
144
,
085103
(
2016
).
41.
I. M.
Ilie
,
W. J.
Briels
, and
W. K.
den Otter
,
J. Chem. Phys.
142
,
114103
(
2015
).
42.
D.
Eisenberg
and
M.
Jucker
,
Cell
148
,
1188
(
2012
).
43.
A. K.
Buell
,
C.
Galvagnion
,
R.
Gaspar
,
E.
Sparr
,
M.
Vendruscolo
,
T. P. J.
Knowles
,
S.
Linse
, and
C. M.
Dobson
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
111
,
7671
(
2014
).
44.
N.
Lorenzen
,
L.
Lemminger
,
J. N.
Pedersen
,
S. B.
Nielsen
, and
D. E.
Otzen
,
FEBS Lett.
588
,
497
(
2014
).
45.
E.
Jo
,
N.
Fuller
,
R.
Rand
,
P. S.
George-Hyslop
, and
P. E.
Fraser
,
J. Mol. Biol.
315
,
799
(
2002
).
46.
N. C.
Maiti
,
M. M.
Apetri
,
M. G.
Zagorski
,
P. R.
Carey
, and
V. E.
Anderson
,
J. Am. Chem. Soc.
126
,
2399
(
2004
).
47.
V. N.
Uversky
,
J. Biomol. Struct. Dyn.
21
,
211
(
2003
).
48.
B.
van Rooijen
,
K.
van Leijenhorst-Groener
,
M.
Claessens
, and
V.
Subramaniam
,
J. Mol. Biol.
394
,
826
(
2009
).
49.
D.-P.
Hong
,
W.
Xiong
,
J.-Y.
Chang
, and
C.
Jiang
,
FEBS Lett.
585
,
561
(
2011
).
50.
V. N.
Uversky
,
J.
Li
, and
A. L.
Fink
,
J. Biol. Chem.
276
,
10737
(
2001
).
51.
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
).
52.
J.-E.
Suk
,
S. B.
Lokappa
, and
T. S.
Ulmer
,
Biochemistry
49
,
1533
(
2010
).
53.
C.
Vega
and
S.
Lago
,
Comput. Chem.
18
,
55
(
1994
).
54.
M. P.
Allen
,
G. T.
Evans
,
D.
Frenkel
, and
B. M.
Mulder
, “
Hard convex body fluids
,” in
Advances in Chemical Physics
(
John Wiley & Sons, Inc.
,
2007
), pp.
1
166
.
55.
A. W. P.
Fitzpatrick
,
G. M.
Vanacore
, and
A. H.
Zewail
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
,
3380
(
2015
).
56.
A.
Lehninger
,
D. L.
Nelson
, and
M. M.
Cox
,
Lehninger Principles of Biochemistry
, 5th ed. (
W. H. Freeman
,
2008
).
57.
C.
Narayanan
,
D. S.
Weinstock
,
K.-P.
Wu
,
J.
Baum
, and
R. M.
Levy
,
J. Chem. Theory Comput.
8
,
3929
(
2012
).
58.
D.
Boal
,
Mechanics of the Cell
, 2nd ed. (
Cambridge University Press
,
Cambridge, UK
,
2002
).
59.
H. C.
Öttinger
,
Stochastic Processed in Polymeric Fluids
(
Springer
,
1996
).
60.
C. W.
Gardiner
,
Handbook of Stochastic Methods for Physics, Chemistry and the Natural Sciences
, Springer Series in Synergetics, 3rd ed. (
Springer-Verlag
,
Berlin
,
2004
), Vol. 13, p. xviii+415.
61.
D.
Frenkel
and
B.
Smit
,
Understanding Molecular Simulation
, 2nd ed. (
Academic Press, Inc.
,
Orlando, FL, USA
,
2001
).
62.
W. K.
den Otter
and
W. J.
Briels
,
Mol. Phys.
98
,
773
(
2000
).
63.
W. K.
den Otter
,
J. Chem. Phys.
112
,
7283
(
2000
).
64.
D. C.
Morse
,
Adv. Chem. Phys.
128
,
65
(
2004
).
65.
E. J.
Hinch
,
J. Fluid Mech.
271
,
219
(
1994
).
66.
W. K.
den Otter
and
W. J.
Briels
,
J. Chem. Phys.
109
,
4139
(
1998
).
67.
S. R.
Aragon
and
D.
Flamik
,
Macromolecules
42
,
6290
(
2009
).
68.
G. H.
Koenderink
and
A. P.
Philipse
,
Langmuir
16
,
5631
(
2000
).
69.
W. P.
Esler
,
E. R.
Stimson
,
J. M.
Jennings
,
H. V.
Vinters
,
J. R.
Ghilardi
,
J. P.
Lee
,
P. W.
Mantyh
, and
J. E.
Maggio
,
Biochemistry
39
,
6288
(
2000
).
70.
M. J.
Cannon
,
A. D.
Williams
,
R.
Wetzel
, and
D. G.
Myszka
,
Anal. Biochem.
328
,
67
(
2004
).
71.
P. H.
Nguyen
,
M. S.
Li
,
G.
Stock
,
J. E.
Straub
, and
D.
Thirumalai
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
104
,
111
(
2007
).
72.
E. P.
O’Brien
,
Y.
Okamoto
,
J. E.
Straub
,
B. R.
Brooks
, and
D.
Thirumalai
,
J. Phys. Chem. B
113
,
14421
(
2009
).
73.
W.
Han
and
K.
Schulten
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
12450
(
2014
).
74.
M.
Schor
,
A. S. J. S.
Mey
,
F.
Noé
, and
C. E.
MacPhee
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
1076
(
2015
).
75.
G.
Reddy
,
J. E.
Straub
, and
D.
Thirumalai
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
106
,
11948
(
2009
).
76.
A.
Rojas
,
A.
Liwo
,
D.
Browne
, and
H. A.
Scheraga
,
J. Mol. Biol.
404
,
537
(
2010
).
77.
V. V.
Shvadchak
,
M. M. A. E.
Claessens
, and
V.
Subramaniam
,
J. Phys. Chem. B
119
,
1912
(
2015
).
78.
D.
Pinotsi
,
A. K.
Buell
,
C.
Galvagnion
,
C. M.
Dobson
,
G. S.
Kaminski Schierle
, and
C. F.
Kaminski
,
Nano Lett.
14
,
339
(
2014
).
79.
A. J.
Baldwin
,
T. P. J.
Knowles
,
G. G.
Tartaglia
,
A. W.
Fitzpatrick
,
G. L.
Devlin
,
S. L.
Shammas
,
C. A.
Waudby
,
M. F.
Mossuto
,
S.
Meehan
,
S. L.
Gras
,
J.
Christodoulou
,
S. J.
Anthony-Cahill
,
P. D.
Barker
,
M.
Vendruscolo
, and
C. M.
Dobson
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
14160
(
2011
).
80.
D. A.
McQuarrie
,
Statistical Mechanics
(
Harper & Row Publishers
,
New York, NY, USA
,
1976
).
81.
P. C.
Nelson
,
Biological Physics
, updated 1st ed. (
W. H. Freeman and Company
,
New York, NY, USA
,
2008
).
82.
R.
Phillips
,
J.
Kondev
, and
J.
Theriot
,
Physical Biology of the Cell
(
Garlan Science
,
New York, NY, USA
,
2009
).
You do not currently have access to this content.