Substantial progress has been made towards understanding the folding mechanisms of proteins in virto and in vivo even though the general rules governing such folding events remain unknown. This paper reviews current folding models along with experimental approaches used to elucidate the folding pathways. Protein misfolding is discussed in relation to disease states, such as amyloidosis, and the recent findings on the mechanism of converting normally soluble proteins into amyloid fibrils through the formation of intermediates provide an insight into understanding the pathogenesis of amyloid formation and possible cules for the development of therapeutic treatments. Finally, some commonly adopted refolding strategies developed over the part decade are summarized.
For most of proteins to be active, they need well-defined three-dimensional structures alone or in complex. Folding is a process through which newly synthesized proteins get to the native state. Protein folding inside cells is assisted by various chaperones and folding factors, and misfolded proteins are eliminated by the ubiquitin-proteasome degradation system to ensure high fidelity of protein expression. Under certain circumstances, misfolded proteins escape the degradation process, yielding to deposit of protein aggregates such as loop-sheet polymer and amyloid fibril. Diseases characterized by insoluble deposits of proteins have been recognized for long time and are grouped as conformational diseases. Study of protein folding mechanism is required for better understanding of the molecular pathway of such conformational diseases.
Proteins must fold into their correct three-dimensional conformation in order to attain their biological function. Conversely, protein aggregation and misfolding are primary contributors to many devastating human diseases, such as prion-mediated infections, Alzheimer's disease, type II diabetes and cystic fibrosis. While the native conformation of a polypeptide is encoded within its primary amino acid sequence and is sufficient for protein folding in vitro, the situation in vivo is more complex. Inside the cell, proteins are synthesized or folded continuously; a process that is greatly assisted by molecular chaperones. Molecular chaperones re a group of structurally diverse and mechanistically distinct proteins that either promote folding or prevent the aggregation of other proteins. With our increasing understanding of the proteome, it is becoming clear that the number of proteins that can be classified as molecular chaperones is increasing steadily. Many of these proteins have novel but essential cellular functions that differ from that of more 'conventional' chaperones, such as Hsp70 and the GroE system. This review focuses on the emerging role of molecular chaperones in protein quality control, i.e. the mechanism that rids the cell of misfolded or incompletely synthesized polypeptides that otherwise would interfere with normal cellular function.
Polyglutamine extension in the coding sequence of mutant huntingtin causes neuronal degeneration associated with the formation of insoluble polyglutamine aggregates in Huntington's disease (HD). Mutant huntingtin can form aggregates within the nucleus and processes of neurons possibly due to misfolding of the proteins. To better understand the mechanism by which an elongated polyglutamine causes aggregates, we have developed an in vitro binding assay system of polyglutamine tract from truncated huntingtin. We made GST-HD exon1 fusion proteins which have expanded polyglutamine epitopes (e.g., 17, 23, 32, 46, 60, 78, 81, and 94 CAG repeats). In the present emergence of new study adjusted nanotechnology on protein chip such as surface plasmon resonance strategy which used to determine the substance which protein binds in drug discovery platform is worth to understand better neurodegenerative diseases (i.e., Alzheimer disease, Parkinson disease and Huntington disease) and its pathogenesis along with development of therapeutic measures. Hence, we used strengths of surface plasmon resonance (SPR) technology which is enabled to examine binding specificity and explore targeted molecular epitope using its electron charged wave pattern in HD pathogenesis utilize conjugated mutant epitope of HD protein and its interaction whether wild type GST-HD interacts with mutant GST-HD with maximum binding affinity at pH 6.85. We found that the maximum binding affinity of GST-HD17 with GST-HD81 was higher than the binding affinities of GST-HD17 with other mutant GST-HD constructs. Furthermore, our finding illustrated that the mutant form of GST-HD60 showed a stronger binding to GST-HD23 or GST-HD17 than GST-HD60 or GST-HD81. These results indicate that the binding affinity of mutant huntingtin does not correlate with the length of polyglutamine. It suggests that the aggregation of an expanded polyglutamine might have easily occurred in the presence of wild type form of huntingtin.
Different neurodegenerative disorders like prion disease, is caused by protein misfolding conformers. Reverse-transfected cytosolic prion protein (PrP) and PrP expressed in the cytosol have been shown to be neurotoxic. To investigate the possible mechanism of neurotoxicity due to accumulation of PrP in cytosol, a PrP mutant lacking the signal and GPI (CytoPrP) was introduced into the SH-SY5Y cell. MTT and trypan blue assays indicated that the viability of cells expressing CytoPrP was remarkably reduced after treatment of MG-132. Obvious apoptosis phenomena were detected in the cells accumulated with CytoPrP, including loss of mitochondrial transmembrane potential, increase of caspase-3 activity, more annexin V/PI-double positive-stained cells and reduced Bcl-2 level. Moreover, DNA fragmentation and TUNEL assays also revealed clear evidences of late apoptosis in the cells accumulated CytoPrP. These data suggest that the accumulation of CytoPrP in cytoplasm may trigger cell apoptosis, in which mitochondrial relative apoptosis pathway seems to play critical role.
Parkinson's disease (PD) is a progressive neurodegenerative disorder that affects millions of people worldwide. The conventional treatment model for PD have harmful side effects, such as dyskinesia, hallucinations, nausea, and fatigue, and are expensive. As a result, natural products derived from medicinal herbs, fruits, and vegetables have emerged as potential therapeutic strategies for PD. These natural products have been traditionally used to treat various diseases and have been shown to possess anti-oxidative and anti-inflammatory properties, as well as inhibitory roles in protein misfolding, mitochondrial homeostasis, neuroinflammation and other neuroprotective processes. In addition, they have fewer side effects and are generally less expensive than conventional drugs. It also discusses the limitations of current treatments and the potential of natural remedies derived from plants to treat PD in new ways or as supplements to existing treatments. The multifunctional mechanisms of medicinal plants that may be utilized to treat PD are also discussed, including the modulation of neurotransmitter systems, the enhancement of neurotrophic factors, and the inhibition of apoptosis. While more research is needed to fully understand their mechanisms of action and efficacy, natural products have the potential to provide safer and more effective treatment options for patients with PD.
Kim, Yu-Min;Yang, Yun Gyeong;Kim, Hye-Lim;Park, Young Shik
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제25권6호
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pp.782-787
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2015
In this study, we developed an assay system for missense mutations in human phenylalanine hydroxylases (hPAHs). To demonstrate the reliability of the system, eight mutant proteins (F39L, K42I, L48S, I65T, R252Q, L255V, S349L, and R408W) were expressed in a mutant strain (pah-) of Dictyostelium discoideum Ax2 disrupted in the indigenous gene encoding PAH. The transformed pah - cells grown in FM minimal medium were measured for growth rate and PAH activity to reveal a positive correlation between them. The protein level of hPAH was also determined by western blotting to show the impact of each mutation on protein stability and catalytic activity. The result was highly compatible with the previous ones obtained from other expression systems, suggesting that Dictyostelium is a dependable alternative to other expression systems. Furthermore, we found that both the protein level and activity of S349L and R408W, which were impaired severely in protein stability, were rescued in HL5 nutrient medium. Although the responsible component(s) remains unidentified, this unexpected finding showed an important advantage of our expression system for studying unstable proteins. As an economic and stable cell-based expression system, our development will contribute to mass-screening of pharmacological chaperones for missense PAH mutations as well as to the in-depth characterization of individual mutations.
Hwang, Hae-Gwang;Kim, Dae-Hwan;Lee, Jeongmin;Mo, Youngwon;Lee, Se-Hoon;Lee, Yongjin;Hyeon, Jae Wook;Lee, Sol Moe;Cheon, Yong-Pil;Choi, Eun-Kyoung;Kim, Su Yeon;Lee, Yeong Seon;Son, Young-Jin;Ryou, Chongsuk
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제28권10호
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pp.1749-1759
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2018
Recombinant (rec) prion protein (PrP) is an extremely useful resource for studying protein misfolding and subsequent protein aggregation events. Here, we report mass production of high-purity rec-polypeptide encoding the C-terminal globular domain of PrP; (90-230) for human and (89-231) for murine PrP. These proteins were expressed as His-tagged fusion proteins in E. coli cultured by a high cell-density aerobic fermentation method. RecPrPs recovered from inclusion bodies were slowly refolded under reducing conditions. Purification was performed by a sequence of metal-affinity, cation-exchange, and reverse-phase chromatography. The current procedure yielded several dozens of milligrams of recPrP per liter with >95% purity. The purified recPrPs predominantly adopted an ${\alpha}$-helix-rich conformation and were functionally sufficient as substrates to measure the seeding activity of human and animal prions. Establishment of a procedure for high-level production of high-purity recPrP supports the advancement of in vitro investigations of PrP including diagnosis for prion diseases.
Parkinson's disease (PD) is a progressive neurodegenerative disorder affecting $1\%$ of the population above the age of 65 and is characterized by a selective loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra pars compacta. Although the underlying cause of dopaminergic cell death or the mechanism by which these cells degenerate is still not clearly understood, oxidative stress, mitochondrial dysfunction, and protein misfolding are thought to play important roles in the dopaminergic degeneration in PD. Tetrahydrobiopterin (BH4) is synthesized exclusively in the monoaminergic, including dopaminergic, cells and serves as an endogenous and obligatory cofactor for syntheses of the potential oxidative stressors dopamine and nitric oxide. In addition to its contribution toward the syntheses of these two potentially toxic molecules, BH4 itself can directly generate oxidative stress. BH4 undergoes oxidation during the hydroxylation reaction as well as nonenzymatic autooxidation to produce hydrogen peroxide and superoxide radical. We have previously suggested BH4 as an endogenous molecule responsible for the dopaminergic neurodegeneration. BH4 exerts selective toxicity to dopamine-producing cells via generation of oxidative stress, mitochondrial dysfunction, and apoptosis. BH4 also induces morphological, biochemical, and behavioral characteristics associated with PD in vivo. BH4 as well as enzyme activity and gene expression of GTP cyclohydrolase I, the rate-limiting enzyme in BH4 synthesis pathway, are readily upregulated by cellular changes such as calcium influx and by various stimuli including stress situations. This points to the possibility that cellular availability of BH4 might be increased in aberrant conditions, leading to increased extracellular BH4 subsequent degeneration. The fact that BH4 is specifically and endogenously synthesized in dopaminergic cells, Is readily upregulated, and generates oxidative stress-related cell death provides physical relevance of this molecule as an attractive candidate with which to explain the mechanism of pathogenesis of PD.
Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal motor neuron disorder that causes progressive paralysis. L-Citrulline is a nonessential neutral amino acid produced by L-arginine via nitric oxide synthase (NOS). According to previous studies, the pathogenesis of ALS entails glutamate toxicity, oxidative stress, protein misfolding, and neurofilament disruption. In addition, L-citrulline prevents neuronal cell death in brain ischemia; therefore, we investigated the change in the transport of L-citrulline under various pathological conditions in a cell line model of ALS. We examined the uptake of [14C]L-citrulline in wild-type (hSOD1wt/WT) and mutant NSC-34/ SOD1G93A (MT) cell lines. The cell viability was determined via MTT assay. A transport study was performed to determine the uptake of [14C]L-citrulline. Quantitative real-time polymerase chain reaction (qRT-PCR) analysis was performed to determine the expression levels of rat large neutral amino acid transported 1 (rLAT1) in ALS cell lines. Nitric oxide (NO) assay was performed using Griess reagent. L-Citrulline had a restorative effect on glutamate induced cell death, and increased [14C]L-citrulline uptake and mRNA levels of the large neutral amino acid transporter (LAT1) in the glutamate-treated ALS disease model (MT). NO levels increased significantly when MT cells were pretreated with glutamate for 24 h and restored by co-treatment with L-citrulline. Co-treatment of MT cells with L-arginine, an NO donor, increased NO levels. NSC-34 cells exposed to high glucose conditions showed a significant increase in [14C]L-citrulline uptake and LAT1 mRNA expression levels, which were restored to normal levels upon co-treatment with unlabeled L-citrulline. In contrast, exposure of the MT cell line to tumor necrosis factor alpha, lipopolysaccharides, and hypertonic condition decreased the uptake significantly which was restored to the normal level by co-treating with unlabeled L-citrulline. L-Citrulline can restore NO levels and cellular uptake in ALS-affected cells with glutamate cytotoxicity, pro-inflammatory cytokines, or other pathological states, suggesting that L-citrulline supplementation in ALS may play a key role in providing neuroprotection.
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