Caracterización estructural de oligómeros amiloides de α-sinucleína y su interacción con membranas modelo

Abstract

α-sinucleína (AS) es una proteína expresada mayormente en cerebro y su función está asociada a la dinámica de vesículas sinápticas en neuronas dopaminérgicas. Su agregación anómala amiloide está vinculada con numerosas patologías neurodegenerativas como por ejemplo la enfermedad de Parkinson. A pesar de los grandes avances realizados, aún se desconocen cuáles son los mecanismos patogénicos asociados a estas enfermedades. Los oligómeros amiloides pre-fibrilares son señalados como las especies más neurotóxicas. Al respecto, la hipótesis mayormente aceptada sugiere una ganancia de toxicidad de AS cuando se encuentra en estado oligomérico. Sin embargo, una pérdida de la función de la proteína al autoensamblarse en estos agregados podría también contribuir a la disfunción celular. En esta tesis se dirigieron los esfuerzos en estos dos sentidos, por un lado, aportando información estructural de las especies oligoméricas para comprender las bases moleculares de su toxicidad y por el otro, evaluando el impacto de la oligomerización en las propiedades de unión a membranas lipídicas, claves para la función de la proteína. Utilizando técnicas espectroscópicas se logró obtener información sobre el arreglo supramolecular de una población de especies oligoméricas de AS. Este ensamble resultó estar formado por agregados estructurados, ricos en estructura hoja-β antiparalela que poseen un patrón bien definido de interacciones intermoleculares. Se demostró que esta estructura distintiva también está presente en especies que se pueblan a lo largo del proceso de agregación amiloide, evidenciando además que este proceso involucra un marcado rearreglo conformacional de la proteína. A su vez, se midió cuantitativamente la unión de AS en su estado monomérico y oligomérico a membranas de distinta composición y curvatura. Se evidenció que la oligomerización de la proteína influye marcadamente en su interacción con membranas, cambiando su sensibilidad a curvatura y alterando su afinidad, llegando en algunos casos a abolir su asociación completamente. La información estructural obtenida en este trabajo, junto con el estudio de unión a biomembranas, constituyen un avance clave para la comprensión de la toxicidad y pérdida de la función de AS asociada a las patologías neurodegenerativas.

α-synuclein (AS) is a protein highly expressed in the brain and its function is linked to synaptic vesicle dynamics in dopaminergic neurons. Its aberrant amyloid aggregation is associated with several neurodegenerative disorders such as Parkinson's disease. Despite the progress that has been made over the years, the pathogenic mechanisms governing these diseases remain unknown. Prefibrillar amyloid oligomeric species are pointed as the more neurotoxic species. In this regard, the prevailing hypothesis indicates a gain-of-toxicity mechanism when the protein is in its oligomeric state. Nevertheless, a loss-of-function due to protein self-assembling might also be involved in cellular dysfunction. In this thesis, we directed our efforts to pave the molecular understanding of these two possibilities. On one hand, providing structural information on oligomeric species to understand the molecular basis of their toxicity and on the other, evaluating the impact of AS oligomerization on its membrane lipid binding properties, key elements for protein function. By means of spectroscopic techniques we gathered information on the supramolecular arrangement of a population of oligomeric species. This ensemble was formed by structured, antiparallel β-sheet rich aggregates with a well-defined pattern of intermolecular contacts. We demonstrated that this distinctive structural feature is also present at the level of prefibrillar intermediates in the pathway of amyloid formation, also showing that this process involves a large conformational re-arrangement of the protein. Simultaneously, we quantitatively measured the binding of AS in its monomeric and oligomeric state to membranes of different curvature and composition. We showed that protein oligomerization has a deep impact on its interaction with membranes, changing its curvature sensitivity and modifying its affinity at such an extent that binding is abolished in some cases. The structural information attained in this work, together with the membrane binding study, constitute a key advance for the understanding of toxicity and loss-of-function mechanisms of AS associated to neurodegenerative diseases.