Insights on alpha-synuclein interaction network and aggregation pattern

Il morbo di Parkinson (PD) è la più importante malattia neurodegenerativa riguardante la funzionalità motoria. L'1% della popolazione sopra i 65 anni è affetto da questa malattia. I sintomi principali sono bradichinesia, tremore a riposo, instabilità posturale, rigidità muscolare e, talvolta, problemi cognitivi e della personalità. La causa della malattia è una morte selettiva dei neuroni dopaminergici nella substantia nigra pars compacta. In realtà, la migliore terapia attualmente applicata è puramente sintomatica, e si basa sulla somministrazione del precursore della dopamina, che è il neurotrasmettitore assente nella malattia, o su inibitori delle attività degli enzimi coinvolti nel metabolismo della dopamina. Questa terapia non impedisce un’ulteriore perdita neuronale. Due evidenze correlano la proteina alfa-sinucleina (?-syn) al PD: questa proteina è presente come fibrille amiloidi in aggregati proteici noti come corpi di Lewy, che sono presenti nel cervello dei pazienti, e in secondo luogo, mutazioni di un singolo amminoacido del gene di ?-syn sono correlati all’insorgenza di forme precoci della malattia, con trasmissione autosomica dominante. In questo contesto, la comprensione delle cause molecolari che conducono alla perdita di neuroni e all’aggregazione di ?-syn diventa fondamentale per lo sviluppo di nuove strategie terapeutiche. ?-Syn è espressa in tutto il sistema nervoso centrale ed è localizzata presso i terminali presinaptici, tuttavia il suo ruolo biologico non è ancora chiaro. ?-Syn è una natively unfolded protein, ma è in grado di acquisire conformazioni diverse in diverse condizioni, quali la presenza di membrane o solventi organici. La regione centrale della proteina è in grado di acquisire strutture a foglietto ? nelle fibrille amiloidi che vengono riscontrate nei corpi di Lewy. I mutanti patologici (A30P, E46K e A53T) hanno una maggiore propensione per la formazione di oligomeri. Recentemente, si sta rafforzando l'ipotesi che gli oligomeri siano la principale causa della tossicità causata da ?-syn. Studiare il processo di oligomerizzazione è quindi di enorme importanza per la comprensione dei processi che portano alla morte neuronale. I primi passaggi nella creazione di piccoli aggregati sono eventi estremamente rari, e quindi difficili da osservare con maggior parte dei metodi; in più, essendo le fibrille insolubili, la loro struttura non può essere risolta da NMR, né dalla cristallografia a Raggi-X. Diversi studi riportano l’interazione di ?-syn con una grande varietà di proteine, come rilevato da esperimenti di co-immunoprecipitazione o cromatografia di affinità. La rilevanza biologica e la base molecolare di questo processo necessitano di un'ulteriore indagine con metodi ad alta risoluzione come NMR (Risonanza Magnetica Nucleare) o SPR (Surface Plasmon Resonance). Inoltre, tutte le macromolecole in grado di interagire con ?-syn ne provocano il sequestro dal citosol, diminuendo le probabilità di auto-interazione che portano alla sua aggregazione. In questa tesi di dottorato sono stati realizzati studi al fine di ampliare la conoscenza sulla rete di interazione di ?-syn. Dal momento che ogni evento correlato ad un alterato l'equilibrio nel network di interazioni di ?-syn può favorire la fibrillogenesi, l'approccio sperimentale è stato diviso in tre parti: interazioni proteina-proteina, legame alle membrane e studi di aggregazione. Esperimenti mediante SPR sono stati effettuati per verificare l'interazione tra ?-syn e 14-3-3?. La famiglia di chaperone 14-3-3 può interagire e regolare una grande varietà di proteine. Sato et al. (2006) hanno misurato con tecniche SPR la costante di dissociazione tra ? e syn-14-3-3?, riportando un valore di (1,1 ?M). Negli esperimenti effettuati questo dato non è stato riprodotto, e anche lo spettro HSQC di ?-syn marcata con 15N in presenza di tre volte eccesso molare di 14-3-3? non ha fornito prove di un’interazione tra le due molecole. Il legame alle membrane di ?-syn è stato studiato mediante dicroismo circolare (CD). I primi 100 residui della proteina sono in grado di acquisire struttura ?-elicoidale in presenza di micelle e liposomi carichi negativamente. Dati interessanti provengono dallo studio di dimeri di ?-syn costituiti da due mutanti prodotti nel nostro laboratorio (V3C e Syn141C): l’omodimero formato da un ponte disolfuro tra la cisteina posizionata al C-terminale della proteina (dimero C-term) forma un’?-elica distorta in presenza di liposomi di 50 nm di diametro, composti di 50% DMPG 50% DMPC. Il dimero formato dal mutante V3C (dimero N-term) acquisisce struttura ?-elicoidale paragonabile a quella osservata per il legame con micelle di SDS. È possibile che la dimensione (cioè la curvatura) dei liposomi e il legame covalente vincolante la coda C-terminale nel dimero C-term siano la causa dell’alterazione della struttura dell’?-elica. Infine, la self-interazione di ?-syn è stata oggetto di indagine con saggi di fibrillogenesi e di aggregazione. La formazione di fibrille è stata rilevata sulla base della variazione di intensità della fluorescenza della molecola Tioflavina T (ThT); campioni di wild-type ?-syn, dimero C-term e mutanti patologici A30P, E46K e A53T sono stati incubati a 37 °C sotto agitazione; aliquote sono state raccolte a tempi fissi, miscelate con una soluzione di ThT e l’intensità di fluorescenza misurata a 485 nm. Il test ha rivelato che E46K, A53T e il dimero C-term formano fibrille più velocemente rispetto a wild-type ?-syn, il mutante A30P presenta invece un ritardo nella lag-phase. Non è stato possibile ottenere una buona interpolazione dei dati con questo metodo, probabilmente a causa della precipitazione o della rottura delle fibrille di ?-syn, o di eventi di light scattering in cuvetta dovuti alle fibrille. Pertanto, un protocollo pubblicato da Luk et al. (2007) è stato applicato. Questo metodo misura l’aumento della polarizzazione di fluorescenza (FP) di campioni di ?-syn incubati a 37 °C sotto agitazione in una piastra a 96 pozzetti. ?-Syn wild-type, mutanti patologici, dimeri C-term ed N-term sono stati mescolati con ?-syn marcata con Oregon Green 488 (1:100 = Syn-OregonGreen: syn-?), e le variazioni nel tempo di FP sono state registrate. Il confronto tra i campioni dimostra che ?-syn wild-type aggrega più veloce rispetto ai mutanti patologici e al dimero N-term, mentre il dimero C-term presenta il più veloce aumento di FP, con la minor lag-phase.. Il legame covalente al C-terminale sembra favorire l'interazione intramolecolare e quindi l'aggregazione e la fibrillogenesi. Lo spettro NMR è stato registrato per il dimero C-term formato per il 20% da molecole di ?-syn marcate con 15N, ma non è stata rilevata interazione intramolecolare. Inoltre, l’aggregazione di ?-syn è stata testata in presenza di tre proteine. Mentre la presenza di DJ1 non comporta effetti statisticamente significatici sull’aggregazione di ?-syn, la proteina chimerica 3T influenza la velocità di ingrandimento degli oligomeri di ?-syn. Inoltre, il chaperone 14-3-3? mescolato in tre rapporti molari con ?-syn sembra avere un effetto concentrazione dipendente sull’aggregazione di ?-syn, anche se gli errori sperimentali non consentono una interpretazione conclusiva di questa osservazione. Tuttavia, ?-syn in presenza di 14-3-3? equimolare mostra una velocità di aggregazione significativamente più lenta rispetto ai campioni di ?-syn incubati in assenza di 14-3-3?. In conclusione, sono stati raggiunti dei progressi sulla comprensione sul meccanismo molecolare di aggregazione ?-syn, in particolare per ciò che riguarda l'orientamento dell’interazione intramolecolare che porta alla formazione di oligomeri e fibrille, e le proteine in grado di ostacolare la crescita di oligomeri di ?-syn. Inoltre, un nuovo metodo basato sulla polarizzazione di fluorescenza è stata utilizzato per rilevare differenze in velocità di aggregazione e lag phase tra ?-syn e sue varianti. Questa tecnica può essere utilizzata per testare diverse condizioni, molecole e proteine in grado di influenzare l'aggregazione in vitro di ?-syn.