Hong, Chul-Suk;Park, Jae Hyung;Choe, Young-Jun;Paik, Seung R.
Bulletin of the Korean Chemical Society
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v.35
no.12
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pp.3542-3546
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2014
Relationship between molecular freedom of amyloidogenic protein and its self-assembly into amyloid fibrils has been evaluated with ${\alpha}$-synuclein, an intrinsically unfolded protein related to Parkinson's disease, by restricting its structural plasticity through an end-to-end disulfide bond formation between two newly introduced cysteine residues on the N- and C-termini. Although the resulting circular form of ${\alpha}$-synuclein exhibited an impaired fibrillation propensity, the restriction did not completely block the protein's interactive core since co-incubation with wild-type ${\alpha}$-synuclein dramatically facilitated the fibrillation by producing distinctive forms of amyloid fibrils. The suppressed fibrillation propensity was instantly restored as the structural restriction was unleashed with ${\beta}$-mercaptoethanol. Conformational flexibility of the accreting amyloidogenic protein to pre-existing seeds has been demonstrated to be critical for fibrillar extension process by exerting structural adjustment to a complementary structure for the assembly.
Yang, Jee Eun;Hong, Je Won;Kim, Jehoon;Paik, Seung R.
Bulletin of the Korean Chemical Society
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v.35
no.2
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pp.425-430
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2014
Amyloidogenic proteins often exhibit fibrillar polymorphism through alternative assembly processes, which has been considered to have possible pathological implications. Here, firefly luciferase (LUC) is shown to induce amyloid polymorphism of ${\alpha}$-synuclein, the major constituent of Lewy bodies found in Parkinson's disease, by acting as a novel template. The drastically accelerated fibrillation kinetics of ${\alpha}$-synuclein with LUC required the nucleation center produced by the active enzyme of LUC. Fluorescent dye binding, transmission electron microscopy, and Fourier transformed infrared spectroscopy revealed the morphologically distinctive amyloid fibrils of ${\alpha}$-synuclein prepared in the absence or presence of LUC. As the altered morphological characteristics became inherent to the mature fibrils, those properties were inherited to next-generations via nucleation-dependent fibrillation process. The seed control, therefore, would be an effective means to modify amyloid fibrils with different biochemical characteristics. In addition, the LUC-directed amyloid fibrillar polymorphism also suggests that other cellular biomolecules including enzymes in general are able to diversify amyloid fibrils, which could be self-propagated with diversified biological activities, if any, inside cells.
Multiple system atrophy (MSA) is a neurodegenerative disease characterized by presence of α-synuclein-positive inclusions in the cytoplasm of oligodendrocytes. These glial cytoplasmic inclusions (GCIs) are considered an integral part of the pathogenesis of MSA, leading to demyelination and neuronal demise. What is most puzzling in the research fields of GCIs is the origin of α-synuclein aggregates in GCIs, since adult oligodendrocytes do not express high levels of α-synuclein. The most recent leading hypothesis is that GCIs form via transfer and accumulation of α-synuclein from neurons to oligodendrocytes. However, studies regarding this subject are limited due to the absence of proper human cell models, to demonstrate the entry and accumulation of neuronal α-synuclein in human oligodendrocytes. Here, we generated mature human oligodendrocytes that can take up neuronderived α-synuclein and form GCI-like inclusions. Mature human oligodendrocytes are derived from neural stem cells via "oligosphere" formation and then into oligodendrocytes, treating the cells with the proper differentiation factors at each step. In the final cell preparations, oligodendrocytes consist of the majority population, while some astrocytes and unidentified stem cell-like cells were present as well. When these cells were exposed to α-synuclein proteins secreted from neuron-like human neuroblastoma cells, oligodendrocytes developed perinuclear inclusion bodies with α-synuclein immunoreactivity, resembling GCIs, while the stem cell-like cells showed α-synuclein-positive, scattered puncta in the cytoplasm. In conclusion, we have established a human oligodendrocyte model for the study of GCI formation, and the characterization and use of this model might pave the way for understanding the pathogenesis of MSA.
After the first research declaring the generation of human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) in 2007, several attempts have been made to model neurodegenerative disease in vitro during the past decade. Parkinson's disease (PD) is the second most common neurodegenerative disorder, which is mainly characterized by motor dysfunction. The formation of unique and filamentous inclusion bodies called Lewy bodies (LBs) is the hallmark of both PD and dementia with LBs. The key pathology in PD is generally considered to be the alpha-synuclein (${\alpha}$-syn) accumulation, although it is still controversial whether this protein aggregation is a cause or consequence of neurodegeneration. In the present work, the recently published researches which recapitulated the ${\alpha}$-syn aggregation phenomena in sporadic and familial PD hiPSC models were reviewed. Furthermore, the advantages and potentials of using patient-derived PD hiPSC with focus on ${\alpha}$-syn aggregation have been discussed.
[ ${\alpha}$ ]synuclein (${\alpha}$-syn) is implicated in the pathogenesis of Parkinson's disease (PD) and other related diseases. We have previously reported that ${\alpha}$-syn binds to the cell membranes in a transient and reversible manner. However, little is known about the physiologic function and/or consequence of this association. Here, we examined whether chemically induced perturbations to the cellular membranes enhance the binding of ${\alpha}$-syn, based on hypothesis that ${\alpha}$-syn may play a role in maintenance of membrane integrity or repair. We induced membrane perturbations or alterations in ${\alpha}$-syn-overexpressing human neuroblastoma cells (SH-SY5Y) by treating the cells with hydrogen peroxide ($H_2O_2$) or oleic acid. In addition, membranes fractionated from these cells were perturbed by treating them with proteinase K or chloroform. Dynamic interaction of ${\alpha}$-syn to the membranes was analyzed by the chemical cross-linking assay that we developed in the previous study. We found that membrane interaction of ${\alpha}$-syn was increased upon treatment with membrane-perturbing reagents in a dose and time dependent manner. These results suggest that perturbations in the cellular membranes cause increased binding of ${\alpha}$-syn, and this may have significant implication in the physiological function of ${\alpha}$-syn in cells.
Kim, Yoon Suk;Kim, Jeonghan;Yi, Chi A;Ko, Jesang;Park, Yong Serk;Lee, Seung-Jae
Biomedical Science Letters
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v.18
no.4
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pp.329-337
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2012
${\alpha}$-synuclein (${\alpha}$-syn) is known to be implicated in the pathogenesis of Parkinson's disease and transiently bind to biological vesicles. In this study, we examined the effect of molecular crowding on the interaction of ${\alpha}$-syn with biological vesicles by using inert polymers since the environment of proteins in cells are crowded with other macromolecules. The addition of different polymers including polyethylene glycol, dextran, and ficoll enhanced the binding of ${\alpha}$-syn to vesicles in a concentration-dependent manner and the association of ${\alpha}$-syn with vesicle was proportionally augmented by increased expression of ${\alpha}$-syn. However, molecular crowding had a neglectable effect on the vesicle binding of ${\alpha}$-syn mutants (A30P, TG6), which has been reported to show impaired vesicle binding capacity. These results suggest that transient interaction of ${\alpha}$-syn with vesicles occurs more commonly in cells than expected implying interaction with vesicles may be one of the physiological processes in which ${\alpha}$-syn is involved.
Eun Ji Kang;Seung Min Jang;Ye Ji Lee;Ye Ji Jeong;You Jin Kim;Seong Su Kang;Eun Hee Ahn
BMB Reports
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v.56
no.2
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pp.126-131
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2023
The abnormal accumulation and aggregation of the misfolded α-synuclein protein is the neuropathological hallmark of all α-synucleinopathies, including Parkinson's disease. The secreted proteins known as netrins (netrin-1, netrin-3, and netrin-4) are related to laminin and have a role in the molecular pathway for axon guidance and cell survival. Interestingly, only netrin-1 is significantly expressed in the substantia nigra (SN) of healthy adult brains and its expression inversely correlates with that of α-synuclein, which prompted us to look into the role of α-synuclein and netrin-1 molecular interaction in the future of dopaminergic neurons. Here, we showed that netrin-1 and α-synuclein directly interacted in pre-formed fibrils (PFFs) generation test, real time binding assay, and co-immunoprecipitation with neurotoxin treated cell lysates. Netrin-1 deficiency appeared to activate the dopaminergic neuronal cell death signal pathway via α-synuclein aggregation and hyperphosphorylation of α-synuclein S129. Taken together, netrin-1 can be a promising therapeutic molecule in Parkinson's disease.
We have performed replica-exchange molecular dynamics simulations on 41 residue peptide mainly composed of NAC (non A$\beta$ component) sequence in $\alpha$-Synuclein. To investigate conformational characteristics of intrinsically unstructured peptides, we carried out structural analysis on the ‘representative structures’ for ensemble of structures occurring at different temperatures. The secondary structure profile obtained from our simulations suggests that the NAC region of $\alpha$-synuclein can be divided into roughly three helical-like segments. It is found that the overall helix-turn-helix like topology is conserved even though the conformational fluctuations grow as the temperature increases. The coordinate-based and the distance-based representative structures exhibit noticeable differences at higher temperatures while they are similar at lower temperatures. It is found that structural variations for the coordinate-based representative structures are much larger, suggesting that distance-based representative structures provide more reliable information concerning characteristic features of intrinsically unstructured proteins. The present analysis also indicates that the conformational features of representative structures at high temperatures might be related to those in membrane or low pH environment.
Ham, Sangwoo;Kim, Hyojung;Hwang, Seojin;Kang, Hyunook;Yun, Seung Pil;Kim, Sangjune;Kim, Donghoon;Kwon, Hyun Sook;Lee, Yun-Song;Cho, MyoungLae;Shin, Heung-Mook;Choi, Heejung;Chung, Ka Young;Ko, Han Seok;Lee, Gum Hwa;Lee, Yunjong
Molecules and Cells
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v.42
no.6
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pp.480-494
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2019
Aggregates of disease-causing proteins dysregulate cellular functions, thereby causing neuronal cell loss in diverse neurodegenerative diseases. Although many in vitro or in vivo studies of protein aggregate inhibitors have been performed, a therapeutic strategy to control aggregate toxicity has not been earnestly pursued, partly due to the limitations of available aggregate models. In this study, we established a tetracycline (Tet)-inducible nuclear aggregate (${\beta}23$) expression model to screen potential lead compounds inhibiting ${\beta}23$-induced toxicity. High-throughput screening identified several natural compounds as nuclear ${\beta}23$ inhibitors, including peucedanocoumarin III (PCIII). Interestingly, PCIII accelerates disaggregation and proteasomal clearance of both nuclear and cytosolic ${\beta}23$ aggregates and protects SH-SY5Y cells from toxicity induced by ${\beta}23$ expression. Of translational relevance, PCIII disassembled fibrils and enhanced clearance of cytosolic and nuclear protein aggregates in cellular models of huntingtin and ${\alpha}$-synuclein aggregation. Moreover, cellular toxicity was diminished with PCIII treatment for polyglutamine (PolyQ)-huntingtin expression and ${\alpha}$-synuclein expression in conjunction with 6-hydroxydopamine (6-OHDA) treatment. Importantly, PCIII not only inhibited ${\alpha}$-synuclein aggregation but also disaggregated preformed ${\alpha}$-synuclein fibrils in vitro. Taken together, our results suggest that a Tet-Off ${\beta}23$ cell model could serve as a robust platform for screening effective lead compounds inhibiting nuclear or cytosolic protein aggregates. Brain-permeable PCIII or its derivatives could be beneficial for eliminating established protein aggregates.
We have performed replica-exchange molecular dynamics (REMD) simulations on the dimer formation of fibrilforming segments of $\alpha$-Synuclein (residues 71 - 82) using implicit solvation models with two kinds of force fields- AMBER parm99SB and parm96. We observed spontaneous formation of dimers from the extensive simulations, demonstrating the self-aggregating and fibril forming properties of the peptides. Secondary structure profile and clustering analysis showed that dimers with antiparallel $\beta$-sheet conformations, stabilized by well-defined hydrogen boding, are major species corresponding to global free energy minimum. Parallel dimers with partial $\beta$-sheets are found to be off-pathway intermediates. The relative instability of the parallel arrangements is due to the repulsive interactions between bulky and polar side chains as well as weaker backbone hydrogen bonds.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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