Characterization of intracellular protein aggregates

Abstract

Durant les últimes dècades, l'agregació de proteïnes ha esdevingut un tema d’investigació molt dinàmic que s'estén transversalment per diferents camps de recerca, incloent la bioquímica, la biotecnologia, la biomedicina i la nanotecnologia. D'una banda, l'acumulació de proteïnes en dipòsits amiloids insolubles constitueix una característica comuna de molts trastorns humans, coneguts com a malalties conformacionals. D'altra banda, des d'un punt de vista biotecnològic, l’agregació proteica representa un obstacle habitual en la producció de proteïnes recombinants, que en general s'acumulen en forma de cossos d’inclusió intracel·lulars. Malgrat que els cossos d’inclusió han estat tradicionalment considerats partícules desestructurades i amb molt poc interès, nombroses evidències indiquen que aquests agregats contenen estructura de tipus amiloid, la qual cosa aplana el camí per a emprar-los en l'estudi de l’agregació amiloid. La tesi que aquí es presenta recapitula la feina pertanyent a una sèrie de publicacions relatives a l’agregació amiloid de proteïnes en l'espai intracel·lular. En tres d'aquests treballs, s'utilitzen tres models cel·lulars diferents filogenèticament distants (bacteris, llevats i plantes) per abordar l’estudi de la formació de dipòsits proteics amb l'objectiu de caracteritzar-los i analitzar-ne el seu impacte en el metabolisme cel·lular. En una publicació complementària, explotem els agregats bacterians per tal de desenvolupar un assaig de screening in vitro per trobar moduladors de l’agregació amiloid. Finalment, també s'inclouen dues obres de revisió sobre la deposició de proteïnes en bacteris i el paper d’aquest organisme com a model per a l'estudi de l'agregació amiloid. Les dades obtingudes de tots aquests estudis indiquen que l'agregació en conformació amiloid és una propietat genèrica dels polipèptids i un fenomen omnipresent a la natura. No obstant, l'aparició d'aquests dipòsits en l'entorn cel·lular pot anar acompanyada d'un cert grau de toxicitat. Aquí, analitzem l'efecte d'envelliment promogut pels cossos d'inclusió intracel·lulars en cèl·lules bacterianes. A més, descrivim com les cèl·lules procariotes i eucariotes estan dotades d'una poderosa maquinària de qualitat proteica que permet fer front a aquesta situació perjudicial. Addicionalment, la caracterització en profunditat dels agregats proteics en bacteris i del seu procés de formació permet utilitzar-los com a eina en la recerca d'inhibidors de l'agregació amiloid amb potencial interès biomèdic i farmacèutic. En general doncs, aquesta tesi aprofundeix en l'estudi de l'agregació amiloid de proteïnes i amplia el coneixement per a emprar organismes simples com models cel·lulars rellevants.

During the last decades, protein aggregation has become a dynamic research topic extending across distinct investigation fields, including biochemistry, biotechnology, biomedicine and nanotechnology. On one side, the accumulation of proteins into insoluble amyloid deposits constitutes a common hallmark of many human disorders, known as conformational diseases. On the other side, from a biotechnological point of view, protein deposition is regarded as a usual hindrance in the production of recombinant proteins, which generally assemble into intracellular inclusion bodies. Although inclusion bodies were traditionally considered unstructured particles lacking of interest, the increasing number of evidences indicating that these aggregates contain amyloid-like structure pave the way for employing them in the study of amyloid deposition. The thesis presented here recapitulates the work belonging to a set of publications concerning amyloid protein aggregation in the intracellular space. In three of these works, we use three distinct cellular models phylogenetically distant (bacteria, yeast and plants) to address the formation of protein deposits with the aim to characterize them and to analyze their impact in the cellular metabolism. In a complementary publication, we exploit bacterial aggregates to develop an in vitro screening assay for amyloid modulators. Finally, we also include two revision works about protein deposition in bacteria and its role as model in the study of amyloid aggregation. The data collected from these studies indicate that aggregation into amyloid structures is a general property of polypeptides and a ubiquitous phenomenon in Nature. However, the apparition of these deposits in the cellular environment can be accompanied by a certain degree of toxicity. Here, we analyze the aging effect promoted by intracellular inclusion bodies in bacterial cells. In addition, we report how both prokaryotic and eukaryotic cells are endowed with a powerful protein quality machinery to challenge this damaging scenario. Moreover, the deep characterization of bacterial protein aggregates and their formation process permits their use as a tool in the searching for amyloid aggregation inhibitors with putative biomedical and pharmaceutical interest. Overall, this thesis delves into the study of amyloid protein aggregation and adds insights to employ simple organisms as relevant cellular models.