A multidisciplinary insight into the determinants of protein aggregation

Abstract

Els trastorns neurodegeneratius crònics, condicions mèdiques que afecten a la població principalment a la seva darrera etapa de vida, representen un problema molt important a la societat moderna. Per això, trobar nous mètodes de diagnòstic i teràpies per tractar aquestes patologies representa un objectiu que cada vegada es presenta com més urgent. Les malalties neurodegeneratives estan caracteritzats pel malplegament proteic intra i extracel•lular, que deriva en la formació d’agregats ordenats responsables de l’inici d’aquestes patologies. Per altra banda, l’agregació representa la major limitació en la producció d’agents terapèutics de caràcter proteic. Per desvetllar les causes que es troben darrera de la formació d’aquests dipòsits insolubles, els mecanismes pels quals provoquen toxicitat cel•lular i com l’evolució enfronta aquest risc, hem utilitzat un enfoc multidisciplinar per tal d’estudiar els determinants de les reaccions d’agregació, utilitzant diferents models proteics com el pèptid β-amiloide i l’α-sinucleïna. La recerca que es presenta en aquesta tesi persegueix entendre els determinants de l’agregació proteica i la toxicitat que s’hi associa, tant en l’entorn cel•lular com en condicions in vitro, així com investigar com la pressió selectiva ha modelat els proteomes al llarg de l’evolució per tal d’evitar l’agregació. Implementant una nova eina bioinformàtica basada en l’estructura tridimensional de les proteïnes, hem identificat els principals determinants estructurals de l’agregació proteica utilitzant bacteris com a organisme model. Es coneix molt poc sobre els determinants estructurals que condueixen l’agregació d’una proteïna cap a una via determinada i com aquests resulten en diverses estructures macromoleculars agregades que exhibeixen diferent toxicitat. En aquest treball, abordem aquest problema usant l’α-sinucleïna, proteïna intrínsecament desordenada associada a la malaltia de Parkinson. Finalment, utilitzant una altra proteïna intrínsecament desordenada, el pèptid β-amiloide i mutants d’aquest, hem identificat les espècies conformacionals responsables del dany oxidatiu cel•lular causat per l’agregació d’aquest pèptid relacionat amb l’Alzheimer, utilitzant llevat com a sistema model. De manera global, el treball d’aquesta tesi pretén entendre aspectes fonamentals del procés d’agregació proteic, tant en organismes procariòtics com en eucariòtics, il•lustrant cóm la la integració de diferent disciplines pot millorar el nostre coneixement sobre l’impacte de l’agregació de proteïnes en la salut i la malaltia.

Chronic neurodegenerative disorders, the medical conditions that strike primarily mid- to late-life population, represent a major issue of modern society. Therefore, finding new diagnostic and therapeutic approaches to treat these disorders is a goal of increasing urgency. The neurodegenerative disorders are characterised by intra/extracellular protein misfolding, resulting in the formation of ordered aggregates that are responsible for the onset of these diseases. On the other hand, aggregation represents a major limitation in the industrial production of proteinaceous therapeutic agents. To elucidate the causes behind the formation of these insoluble deposits, the mechanisms by which they mediate cellular toxicity, and how evolution confronts this risk, we employed a multidisciplinary approach to study the determinants of aggregation reactions, using different protein models such as, amyloid β-peptide and α-synuclein. The research presented in this thesis seeks to understand the determinants of protein aggregation and its associated toxicity, in both the cellular environment and in vitro conditions, as well as to investigate how the selective pressure that acts to to avoid the aggregation has shaped the cellular proteomes along the evolution. Implementing a novel structure-based bioinformatic tool, we identify the structural determinants of protein aggregation using bacteria as a model organism. Little is known on the structural determinants that drive the aggregation of a protein to a particular pathway, resulting in diverse aggregated macromolecular structures displaying different toxicity. Here, we address this issue using the Parkinson’s disease-associated intrinsically disordered protein, α-synuclein. Finally, using another intrinsically disordered protein, the amyloid β-peptide and mutants thereof, we identify the conformational species responsible for the cellular oxidative damage caused by the aggregation of this Alzheimer’s linked peptide, employing yeast as a model system. Overall, the work in this thesis attempts to understand fundamental aspects of protein aggregation processes, in both prokaryotic and eukaryotic organisms, highlighting how the interplay between different disciplines might improve our understanding on the impact of protein aggregation in health and disease.