Amyloid fibrils are aberrant protein aggregates associated with various amyloidoses and neurodegenerative diseases. It is recently indicated that structural diversity of amyloid fibrils often results in different pathological phenotypes including cytotoxicity and infectivity. The diverse structures are predicted to propagate by seed-dependent growth, which is one of the characteristic properties of amyloid fibrils. However, much remains unknown regarding how exactly the amyloid structures are inherited to subsequent generations by seeding reaction. Here, we investigated the behaviors of self- and cross-seeding of amyloid fibrils of human and bovine insulin in terms of thioflavin T fluorescence, morphology, secondary structure, and iodine staining. Insulin amyloid fibrils exhibited different structures depending on species, and each of which replicated in self-seeding. In contrast, gradual structural changes were observed in cross-seeding, and a new-type amyloid structure with distinct morphology and cytotoxicity was formed when human insulin was seeded with bovine insulin fibrils. Remarkably, iodine staining tracked changes in amyloid structure sensitively, and singular value decomposition (SVD) analysis of the ultraviolet-visible (UV-Vis) absorption spectra of the fibril-bound iodine has revealed the presence of one or more intermediate metastable states during the structural changes. From these findings, we propose a propagation scheme with multistep structural changes in cross-seeding between two heterologous proteins, which is accounted for as a consequence of the rugged energy landscape of amyloid formation.

中文翻译：

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在崎岖的能源景观上交叉播种引起的淀粉样蛋白结构的多步变化

淀粉样原纤维是与各种淀粉样变性和神经退行性疾病相关的异常蛋白质聚集体。最近表明，淀粉样原纤维的结构多样性通常导致不同的病理表型，包括细胞毒性和感染性。预计不同的结构将通过种子依赖性生长繁殖，这是淀粉样蛋白原纤维的特征之一。然而，关于淀粉样蛋白结构究竟是如何通过播种反应遗传给后代的，仍有很多未知之处。在这里，我们从硫代黄素 T 荧光、形态学、二级结构和碘染色等方面研究了人和牛胰岛素淀粉样蛋白原纤维的自接种和交叉接种行为。胰岛素淀粉样蛋白原纤维根据物种表现出不同的结构，并且每一个都在自播中复制。相比之下，在交叉接种中观察到逐渐的结构变化，当人胰岛素与牛胰岛素原纤维接种时，形成了一种具有明显形态和细胞毒性的新型淀粉样蛋白结构。值得注意的是，碘染色敏感地跟踪淀粉样蛋白结构的变化，对原纤维结合的碘的紫外-可见 (UV-Vis) 吸收光谱的奇异值分解 (SVD) 分析揭示了一种或多种中间亚稳态的存在。结构性变化。根据这些发现，我们提出了一种传播方案，在两种异源蛋白质之间的交叉接种中具有多步结构变化，这是淀粉样蛋白形成的崎岖能量景观的结果。在交叉接种中观察到逐渐的结构变化，当人胰岛素与牛胰岛素原纤维接种时，形成了一种具有明显形态和细胞毒性的新型淀粉样蛋白结构。值得注意的是，碘染色敏感地跟踪淀粉样蛋白结构的变化，对原纤维结合的碘的紫外-可见 (UV-Vis) 吸收光谱的奇异值分解 (SVD) 分析揭示了一种或多种中间亚稳态的存在。结构性变化。根据这些发现，我们提出了一种传播方案，在两种异源蛋白质之间的交叉接种中具有多步结构变化，这是淀粉样蛋白形成的崎岖能量景观的结果。在交叉接种中观察到逐渐的结构变化，当人胰岛素与牛胰岛素原纤维接种时，形成了一种具有明显形态和细胞毒性的新型淀粉样蛋白结构。值得注意的是，碘染色敏感地跟踪淀粉样蛋白结构的变化，对原纤维结合的碘的紫外-可见 (UV-Vis) 吸收光谱的奇异值分解 (SVD) 分析揭示了一种或多种中间亚稳态的存在。结构性变化。根据这些发现，我们提出了一种传播方案，在两种异源蛋白质之间的交叉接种中具有多步结构变化，这是淀粉样蛋白形成的崎岖能量景观的结果。人胰岛素接种牛胰岛素原纤维后，形成了一种具有独特形态和细胞毒性的新型淀粉样蛋白结构。值得注意的是，碘染色敏感地跟踪淀粉样蛋白结构的变化，对原纤维结合的碘的紫外-可见 (UV-Vis) 吸收光谱的奇异值分解 (SVD) 分析揭示了一种或多种中间亚稳态的存在。结构性变化。根据这些发现，我们提出了一种传播方案，在两种异源蛋白质之间的交叉接种中具有多步结构变化，这是淀粉样蛋白形成的崎岖能量景观的结果。人胰岛素接种牛胰岛素原纤维后，形成了一种具有独特形态和细胞毒性的新型淀粉样蛋白结构。值得注意的是，碘染色敏感地跟踪淀粉样蛋白结构的变化，对原纤维结合的碘的紫外-可见 (UV-Vis) 吸收光谱的奇异值分解 (SVD) 分析揭示了一种或多种中间亚稳态的存在。结构性变化。根据这些发现，我们提出了一种传播方案，在两种异源蛋白质之间的交叉接种中具有多步结构变化，这是淀粉样蛋白形成的崎岖能量景观的结果。原纤维结合碘的紫外-可见 (UV-Vis) 吸收光谱的奇异值分解 (SVD) 分析揭示了在结构变化过程中存在一种或多种中间亚稳态。根据这些发现，我们提出了一种传播方案，在两种异源蛋白质之间的交叉接种中具有多步结构变化，这是淀粉样蛋白形成的崎岖能量景观的结果。原纤维结合碘的紫外-可见 (UV-Vis) 吸收光谱的奇异值分解 (SVD) 分析揭示了在结构变化过程中存在一种或多种中间亚稳态。根据这些发现，我们提出了一种传播方案，在两种异源蛋白质之间的交叉接种中具有多步结构变化，这是淀粉样蛋白形成的崎岖能量景观的结果。