The membrane as a catalyst of damaging protein misfolding events

Livets enhet, cellen, er omsluttet av cellemembranen, en tynn barriære bare noen få nanometer tykk. Dette er ikke en fast barriere, men består av lipider og andre biomolekyler som sammen oppførere seg som en halvflytende oljelignende film. I denne filmen finnes også forholdsvis avgrensede områder som kan ha forskjellige funksjoner og egenskaper. I dette komplekse og stadig skiftende miljøet i membranen er det en utfordring å forstå hvordan hver komponent påvirker hverandre. Dette prosjektet undersøker hvordan lipider påvirker proteiner og hvordan proteiner påvirker lipider/membranen. Et av de viktigste spørsmålene er om noen lipider eller fysiske tilstander i membranen kan føre til at visse proteiner misfoldes. Proteiner, som er lange kjeder av aminosyrer, trenger normalt å vri seg til en bestemt struktur, eller fold, for å få sin funksjon. Hvis denne normalt spontane prosessen forstyrres, kan de i stedet danne skadelige strukturer. Dette kalles proteinmisfolding. Dette prosjektet undersøker hvorvidt noen lipider kan forårsake at visse membranassosierte proteiner å misfoldes raskere (eller eventuelt langsommere) enn de normalt ville. Proteinmisfolding involvert i mange sykdommer, inkludert Parkinsons, Alzheimers og Diabetes II, samt prioniske sykdommer. Innsikt i lipidmembranens rolle i dette kan potensielt med tiden føre til bedre forebygging og behandling. Våre funn bekrefter at celler har vevs-spesifikke lipidprofiler og modulerer lipidsammensetningen sin betydelig gjennom hele sin livssyklus, men også at lipidprofilene endres ved aldring. Lipidblandingene kan være er så forskjellige at de fysiske egenskaper til membranen som de er en del av endres vesentlig, noe som igjen kan påvirke proteinfolding. Det er også betydelige endringer i lipidmolekyler som er involvert i hvordan cellen kommuniserer med seg selv. Misfoldede proteiner som i kontakt med membranen kan også ødelegge dens integritet når cellen er i en spesielt utsatt situasjon, eller påvirke lipidbasert signalisering. Et lipidmolekyl som til en viss grad korrelerer med utviklingen av blant annet Parkinsons og Alzheimers er kolesterol. Men, det er uklart hvorvidt dette er en årsak eller konsekvens av sykdommene, eller om denne sammenhengen er uavhengig av dette. Et viktig funn i vår studier viser at kolesterol akselererer misfolding av et Parkinsons-relatert protein med av en faktor 20 eller mer. Andre membrankomposisjoner virker bremsende. I sum styrker våre funn hypotesen fremlagt i dette prosjektet: at membranen er en viktig og følsom plattform for molekylære prosesser som er relevante for neurodegernative sykdommer.

The project proved that lipids are both modulated as a function of cell type, cell cycle point and senescence, and results also suggest that these differences can play a role in protein function and dysfunction through folding/misfolding events. (Objective 1) Membrane can drive misfolding by forcing the protein to expose its hydrophobic interiors in new ways, and/or align the denatured polypeptides along the membrane surface. Lipids achieve this through charge-matching, headgroup mismatch and hydrogen bonding. (Objective 2) This was found to be true: cholesterol and liquid-ordered states promote misfolding and the formation of harmful aggregates for alpha-synulcein. (Objective 3) Amphitropic proteins tend to be attracted to lipid charge, and singalling phosphoinesotides will be targeted. (Objective 4) The correct balance between protein, membrane charge and order/disorder is important, too much cholesterol is a promoter of adverse molecular outcomes.

Proteins and the cell membrane are functionally intimately connected. Membrane proteins must fold and embed into the membrane, and proteins associating with the membrane must not be excessively perturbed by the membrane, or affect its integrity. Given the flexible structure of many of these membrane-associating proteins, their high effective concentrations at the membrane and the attenuation of energetic barriers between different folding states, many may be at high risk for misfolding. Annular Oligomers (AOs) are an example of such a misfolding event. AOs are considered highly toxic and are implicated in neurodegenerative and prionic diseases. Their formation (into pore-like aggregates of 30-150 nm) is prompted by still poorly understood mechanisms that often occur in conjunction with the lipid membrane. Little is known about the mechanism of misfolding, or how this is relevant in living cells. This project seeks to elucidate these issues by examining AO-forming peptides and a protein-fatty acid (PFA)-complex which interacts with the membrane and forms AOs. The project proposes that lipid- and lipid-like factors such as fatty acids catalyze the formation of AOs. It aims to find specific protein-lipid interactions and transition states that underpin such a mechanism. It also proposes that differences in the lipid composition and lateral organization of membranes will make some cells more or less susceptible to AO action. AFM is employed as the main techniques to identify and explore AOs and how they form in artificial lipid systems. Then, the project combines high-resolution NMR with molecular dynamics to provide the details necessary to investigate transition-states between soluble, membrane bound, and AO-forming situations. LC-MS/MS and analytical NMR is combined with phase-sensitive fluorescence studies to provide a detailed picture of membranes (cell and artificial) that promote or suppress AO-formation.