NMR evidence for a conformational adaptation of apolipophorin III upon lipid association

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Abstract

A characteristic property of amphipathic exchangeable apolipoproteins is an ability to exist alternately in lipid-free and lipid-bound states. In the present study, we have used 1H-15N-heteronuclear single quantum correlation spectroscopy to probe structural changes of apolipophorin III upon lipid association, by monitoring alterations of the chemical shifts of specific amino acids as a function of lipid titration. 15N-valine-, 15N-leucine-, 15N-lysine-, and 15N-glycine-labeled apolipophorin III were used in titration experiments with the micelle-forming lipid dodecylphosphocholine. In the absence of lipid, valine and leucine residues are located in the hydrophobic interior of the apolipophorin III helix bundle and their resonances resist chemical shift changes below the critical micelle concentration of dodecylphosphocholine. At the critical micelle concentration, however, dramatic and abrupt chemical shift changes occur, apparently coincident with formation of a protein-lipid micelle complex, as judged by significant line-width broadening of the crosspeaks. By contrast, apolipophorin III lysine and glycine residues are located on the hydrophilic surfaces of amphipathic alpha-helices or in loop regions, exposed to solvent. Their crosspeaks display either a chemical shift change similar to that seen for hydrophobic residues or a more gradual chemical shift change, beginning at very low dodecylphosphocholine concentrations. These results indicate that an interaction occurs between specific solvent-exposed lysine residues and dodecylphosphocholine below the critical micelle concentration of this lipid, whereas valine and leucine residues are not accessible to monomeric dodecylphosphocholine. At the critical micelle concentration, however, the availability of a newly formed lipid surface induces apolipophorin III binding, concomitant with conformational opening of the helix bundle, exposing its hydrophobic surfaces for binding to the dodecylphosphocholine micellar surface. Subsequently, hydrophobic residues undergo characteristic spectral changes. Subtle differences in behavior of specific hydrophobic residues, in terms of their response to dodecylphosphocholine titration and relative locations in the helix-bundle conformation, suggest that one end of the molecule may initiate contact with the lipid surface, followed by helix bundle opening.

La capacité d'être alternativement dans un état libre et dans un état associé aux lipides est une propriété caractéristique des apolipoprotéines échangeables amphiphiles. Dans cette étude, les changements structuraux de l'apolipophorine III lors de son association à un lipide ont été analysés en mesurant les changements de déplacement chimique d'acides aminés spécifiques en fonction de la quantité de lipide lié, à l'aide de la spectroscopie de corrélation d'un seul quantum hétéronucléaire de 1H et 15N. Des apolipophorine III marquées avec la 15N-valine, la 15N-leucine, la 15N-lysine ou la 15N-glycine ont été utilisées dans des expériences de titration par la dodécylphosphocholine, un lipide formant des micelles. En absence du lipide, les résidus valine et leucine sont localisés à l'intérieur hydrophobe du paquet d'hélices de l'apolipophorine III et il n'y a pas de changement de déplacement chimique de leurs résonances sous la concentration critique micellaire de dodécylphosphocholine. Cependant, des changements de déplacement chimique abrupts et importants se produisent à la concentration critique micellaire, apparemment en même temps qu'un complexe micellaire protéine-lipide se forme, comme l'indique un élargissement significatif des signaux. Par contre, les résidus lysine et leucine de l'apolipophorine III sont localisés à la surface hydrophile des hélices alpha amphiphiles ou dans les régions en boucle, et ils sont exposés au solvant. Leurs signaux ont soit un changement de déplacement chimique semblable à celui des résidus hydrophobes, soit un changement de déplacement chimique plus graduel, débutant à très faible concentration de dodécylphosphocholine. Ces résultats indiquent qu'il y a une interaction entre des résidus lysine exposés au solvant et la dodécylphosphocholine sous la concentration critique micellaire de ce lipide, et que les résidus valine et leucine ne sont pas accessibles aux monomères de dodécylphosphocholine. Cependant, à la concentration critique micellaire, la surface lipidique nouvellement formée induit la liaison de l'apolipophorine III et l'ouverture de la conformation du paquet d'hélices, ce qui expose leurs surfaces hydrophobes qui se lient à la surface des micelles de dodécylphosphocholine. Par la suite, les résidus hydrophobes subissent des changements spectraux caractéristiques. De petites différences de la réponse de résidus hydrophobes spécifiques à la titration par la dodécylphosphocholine et la position relative de ces résidus dans la conformation du paquet d'hélices suggèrent qu'une extrémité de la molécule entrerait d'abord en contact avec la surface lipidique et que le paquet d'hélices s'ouvrirait par la suite. [Traduit par la Rédaction]

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