Cellular Uptake of Amyloid Forming Proteins Related to Neurodegenerative Disease
Doctoral thesis, 2020
Aggregation and deposition of disease-associated protein is a pathological hallmark of several human disorders, including Alzheimer’s disease (AD) and Parkinson’s disease (PD). These diseases are characterized by the formation of amyloid-β (Aβ) and α-synuclein (α-syn) amyloid fibrils, in extracellular and intracellular locations, respectively. Prior to extracellular deposition of Aβ into plaques, Aβ also accumulates within neurons, but the molecular and cellular mechanisms contributing to uptake are not fully understood. Moreover, exact links between disease onset and progression are missing, hindering the development of new disease-modifying therapies.
This Thesis describes my research to elucidate how chemical and physical characteristics of Aβ and α-syn, and their ensuing aggregates, influence their cellular uptake. This is important as the endolysosomal system has been implicated as a potential site for onset and progression of disease pathology. Focusing on Aβ uptake I demonstrate that the most aggregation-prone and neurotoxic variant Aβ(1-42) is endocytosed twice as efficiently as Aβ(1-40). I show that the uptake of both variants occurs via clathrin- and dynamin-independent endocytosis, but my work also points to a mechanistic difference; Aβ(1-42) is for example more sensitive to inhibitors of action polymerisation. Further, in studies of Aβ(1-42), I demonstrate that uptake is regulated by small Rho GTPases and highly sensitive to changes in membrane tension, but apparently not via GRAF1-regulated CLIC/GEECs, suggesting the involvement of yet unidentified molecular players.
I also show how uptake of pre-formed α-syn fibrils is inversely related to fibril length, and correlates to reductions in metabolic activity, pointing to an important role of cellular uptake and endolysosomal accumulation in toxicity. Lastly, I demonstrate that both monomeric Aβ and fibrillar α-syn are dependent on cell surface proteoglycans for uptake. Importantly, I show that for Aβ this dependency builds up over time, suggesting that local peptide aggregation at the cell surface could precede uptake.
Altogether, this Thesis contribute new molecular and mechanistic insights into how cellular uptake contributes to intraneuronal accumulation of amyloidogenic proteins relevant in neurodegenerative disease.
This Thesis describes my research to elucidate how chemical and physical characteristics of Aβ and α-syn, and their ensuing aggregates, influence their cellular uptake. This is important as the endolysosomal system has been implicated as a potential site for onset and progression of disease pathology. Focusing on Aβ uptake I demonstrate that the most aggregation-prone and neurotoxic variant Aβ(1-42) is endocytosed twice as efficiently as Aβ(1-40). I show that the uptake of both variants occurs via clathrin- and dynamin-independent endocytosis, but my work also points to a mechanistic difference; Aβ(1-42) is for example more sensitive to inhibitors of action polymerisation. Further, in studies of Aβ(1-42), I demonstrate that uptake is regulated by small Rho GTPases and highly sensitive to changes in membrane tension, but apparently not via GRAF1-regulated CLIC/GEECs, suggesting the involvement of yet unidentified molecular players.
I also show how uptake of pre-formed α-syn fibrils is inversely related to fibril length, and correlates to reductions in metabolic activity, pointing to an important role of cellular uptake and endolysosomal accumulation in toxicity. Lastly, I demonstrate that both monomeric Aβ and fibrillar α-syn are dependent on cell surface proteoglycans for uptake. Importantly, I show that for Aβ this dependency builds up over time, suggesting that local peptide aggregation at the cell surface could precede uptake.
Altogether, this Thesis contribute new molecular and mechanistic insights into how cellular uptake contributes to intraneuronal accumulation of amyloidogenic proteins relevant in neurodegenerative disease.
Aβ(1-40)
flow cytometry
confocal microscopy
SH-SY5Y
fluorescence
Aβ(1-42)
Alzheimer’s disease
amyloid fibril
α-synuclein
amyloid-β
KB
Opponent: Gunnar Gouras, Lunds Universitet, Sverige
Author
Emelie Vilhelmsson Wesén
Chalmers, Biology and Biological Engineering, Chemical Biology
Endocytic uptake of monomeric amyloid-β peptides is clathrin- and dynamin-independent and results in selective accumulation of Aβ(1-42) compared to Aβ(1-40)
Scientific Reports,;Vol. 7(2017)
Journal article
Correlation between Cellular Uptake and Cytotoxicity of Fragmented α-Synuclein Amyloid Fibrils Suggests Intracellular Basis for Toxicity
ACS Chemical Neuroscience,;Vol. 11(2020)p. 233-241
Journal article
Cell surface proteoglycan-mediated uptake and accumulation of the Alzheimer's disease peptide Aβ(1–42)
Biochimica et Biophysica Acta - Biomembranes,;Vol. 1860(2018)p. 2204-2214
Journal article
Role of Membrane Tension Sensitive Endocytosis and Rho GTPases in the Uptake of the Alzheimer's Disease Peptide Aβ(1-42)
ACS Chemical Neuroscience,;Vol. 11(2020)p. 1925-1936
Journal article
Neurodegenerativa sjukdomar, däribland Alzheimers sjukdom och Parkinsons sjukdom, är obotliga sjukdomar som orsakas av att nervceller bryts ned och dör. Detta leder till symptom som demens och motoriska försämringar. Det många neurodegenerativa sjukdomar har gemensamt är att specifika proteiner aggregerar och bildar så kallade amyloida fibriller i hjärnan. Amyloida fibriller är upp till cirka 10 mikrometer långa fibrer som är väldigt stabila och svåra för kroppen att bryta ned. I Alzheimers sjukdom är det amyloid-β, ett litet protein, som aggregerar och till slut ansamlas i så kallade plack utanför nervcellerna. I Parkinsons sjukdom aggregerar proteinet α-synuclein och ansamlas inne i nervcellerna. Min forskning syftar till att förstå mer kring hur och varför dessa proteiner aggregerar och ackumuleras vid utveckling av sjukdom, vilket är viktigt för framtida läkemedelsutveckling.
Tidigt i Alzheimers sjukdom börjar amyloid-β ansamlas inuti små membranomslutna vätskeblåsor (vesiklar) i nervceller, där proteinaggregation också är extra benägen att ske. Det är troligt att sjukdomen börjar inne i cellen, för att senare manifesteras som plack utanför celler när nervceller dör. Min forskning har bidragit till att öka förståelsen kring hur amyloid-β kan tas upp och ansamlas i nervceller. Jag har visat att den variant av amyloid-β som är mest toxisk och vanligast förekommande i plack även tas upp mest effektivt. Amyloid-β tas upp via en aktiv process som kallas endocytos, där cellmembranet fångar in proteinet så att det hamnar i vesiklar. I mitt arbete har jag studerat vilken typ av endocytos amyloid-β tas upp via, och har kunnat visa att det är en aktin-driven process som är beroende av kolhydratrika strukturer, så kallade proteoglykaner, på cellens yta. Jag har även klarlagt involvering av specifika endocytiska komponenter i upptag av amyloid-β. Genom att förstå mer exakt hur amyloid-β tas upp, finns det möjlighet att i framtiden utveckla läkemedel för att hindra sjukdomsrelaterad ackumulering och aggregation av proteinet.
I mitt arbete har jag även studerat hur fragmenterade amyloida fibriller av α-synuclein tas upp i celler. Jag har visat att korta fibriller av α-synuclein tas upp mest effektivt, och att dessa också är mest toxiska för cellen. Detta är viktigt eftersom det föreslår att den sjukdomsalstrande mekanismen av α-synuclein börjar inne i cellen och inte utanför. Detta protein har även visat sig kunna överföras mellan celler, som ett sätt att sprida proteinaggregat över hjärnan vid utvecklingen av Parkinsons sjukdom. Ökad förståelse kring vilka fibriller som tas upp i celler har därför potential att belysa hur denna spridningsmekanism sker.
Tidigt i Alzheimers sjukdom börjar amyloid-β ansamlas inuti små membranomslutna vätskeblåsor (vesiklar) i nervceller, där proteinaggregation också är extra benägen att ske. Det är troligt att sjukdomen börjar inne i cellen, för att senare manifesteras som plack utanför celler när nervceller dör. Min forskning har bidragit till att öka förståelsen kring hur amyloid-β kan tas upp och ansamlas i nervceller. Jag har visat att den variant av amyloid-β som är mest toxisk och vanligast förekommande i plack även tas upp mest effektivt. Amyloid-β tas upp via en aktiv process som kallas endocytos, där cellmembranet fångar in proteinet så att det hamnar i vesiklar. I mitt arbete har jag studerat vilken typ av endocytos amyloid-β tas upp via, och har kunnat visa att det är en aktin-driven process som är beroende av kolhydratrika strukturer, så kallade proteoglykaner, på cellens yta. Jag har även klarlagt involvering av specifika endocytiska komponenter i upptag av amyloid-β. Genom att förstå mer exakt hur amyloid-β tas upp, finns det möjlighet att i framtiden utveckla läkemedel för att hindra sjukdomsrelaterad ackumulering och aggregation av proteinet.
I mitt arbete har jag även studerat hur fragmenterade amyloida fibriller av α-synuclein tas upp i celler. Jag har visat att korta fibriller av α-synuclein tas upp mest effektivt, och att dessa också är mest toxiska för cellen. Detta är viktigt eftersom det föreslår att den sjukdomsalstrande mekanismen av α-synuclein börjar inne i cellen och inte utanför. Detta protein har även visat sig kunna överföras mellan celler, som ett sätt att sprida proteinaggregat över hjärnan vid utvecklingen av Parkinsons sjukdom. Ökad förståelse kring vilka fibriller som tas upp i celler har därför potential att belysa hur denna spridningsmekanism sker.
Subject Categories
Biochemistry and Molecular Biology
Cell and Molecular Biology
Medical Biotechnology (with a focus on Cell Biology (including Stem Cell Biology), Molecular Biology, Microbiology, Biochemistry or Biopharmacy)
ISBN
978-91-7905-248-5
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4715
Publisher
Chalmers
KB
Opponent: Gunnar Gouras, Lunds Universitet, Sverige