Aggregation, Propagation and Pathological Implications of α-synuclein Amyloid Fibrils in Parkinson’s Disease
Doctoral thesis, 2026

Parkinson’s disease (PD) is a severe, progressive neurodegenerative disorder characterized by aggregation of the protein α-synuclein into amyloid fibrils, leading to the formation of Lewy bodies and Lewy neurites and degeneration of dopaminergic neurons in the substantia nigra. Although α-synuclein aggregation is a defining feature of PD, fundamental questions remain regarding how fibrils form, how aggregation pathways encode distinct structural polymorphs, and how these polymorphs influence prion-like propagation and neurodegeneration. This knowledge gap continues to challenge the development of effective therapeutics.

This thesis addresses several of these knowledge gaps by investigating the aggregation and prion-like propagation of α-synuclein amyloid fibrils using wild-type and familial PD-associated variants. First, to understand how assembly conditions shape α-synuclein fibril formation and structure, I examined the effects of monovalent cations. I show that the physiologically abundant cations Na+ and K+, although often treated as interchangeable, produce distinct effects on aggregation kinetics and fibril morphology, demonstrating that changes in ionic conditions can reshape α-synuclein fibril assembly pathways. I next investigated consequences of fibril fragmentation, a mechanism that rarely occurs in vitro but can be significant in vivo, showing that early-onset PD variants underwent pronounced structural evolution following fragmentation, reflected in altered Thioflavin-T binding. This shows that α-synuclein fibrils are more structurally heterogenous than previously believed and that they may continue to remodel their architecture over the course of PD. To resolve such heterogeneity, I established a Thioflavin-T fluorescence-lifetime spectroscopy-based methodology for phenotyping of α-synuclein polymorphs. Cross-seeding experiments revealed variant-specific structural trajectories, including faithful templating, monomer-driven restructuring, and emergence of de novo polymorphs, highlighting the vast structural landscape accessible to α-synuclein fibrils. Finally, I investigated whether these in vitro traits influenced prion-like propagation in cells, showing that α-synuclein variants differed markedly in uptake efficiency, induction of endosomal enlargement, and ability to seed endogenous α-synuclein aggregation. These cellular outcomes aligned with the structural and kinetic behaviors observed in vitro, demonstrating that propagation efficiency is strongly shaped by intrinsic fibril properties.

Altogether, this work advances the mechanistic understanding of α-synuclein aggregation and propagation in PD and highlights fibril assembly pathways and resulting fibril structure as critical targets for future therapeutic strategies.

amyloid kinetics

cross-seeding

polymorphism

α-synuclein

fragmentation

amyloid fibrils

prion-like propagation

Parkinson’s disease

fibril morphology

protein aggregation

VIVA-salen, våning 10, Kemihuset, Kemigården 4, Chalmers Campus Johanneberg
Opponent: Wei-Feng Xue, University of Kent, UK

Author

Fritjof Havemeister

Molecular Bioscience

Monovalent cations have different effects on the assembly kinetics and morphology of α-synuclein amyloid fibrils

Biochemical and Biophysical Research Communications,;Vol. 679(2023)p. 31-36

Journal article

Fragmentation-Induced Disassembly and Reaggregation of Α-Synuclein Amyloid Fibrils

ACS Chemical Neuroscience,;Vol. 17(2026)p. 2057-2070

Journal article

Marziyeh Ghaeidamini, Fritjof Havemeister, Fredrik Edborgh, Mikaela Sjögren and Elin K. Esbjörner. III. Thioflavin-T fluorescence lifetime spectroscopy enables phenotyping of α-synuclein fibril polymorphs during cross-seeding

Fritjof Havemeister, Andrea Ramnath, Andrea Lovincic Babic, Jeremias Brunbauer, Mikaela Sjögren, Olivia Borg, Elin Allgén, Maitrayee Sinha, Marziyeh Ghaeidamini, Johan Pihl, Linnea Strid Orrhult, Lotta Agholme and Elin K. Esbjörner. IV. Distinct uptake and seeding behaviors of wild-type and mutant α-synuclein variants in human and murine neuronal models

Analys av skadliga proteinfibrer ökar förståelsen för Parkinsons sjukdom

Parkinsons sjukdom är den näst vanligaste neurodegenerativa sjukdomen och drabbar omkring 12 miljoner människor globalt. När dopaminproducerande nervceller försvagas och dör försämras hjärnans förmåga att kontrollera rörelser, vilket leder till typiska Parkinsonsymtom såsom skakningar och förändrat rörelsemönster. Trots stora forskningsframsteg är Parkinsons sjukdom fortfarande obotlig eftersom vi ännu inte helt förstår hur sjukdomen uppstår och fortskrider.

En central sjukdomssignal vid Parkinsons och andra neurodegenerativa sjukdomar är att normalt fungerande proteiner bildar skadliga fibrer, så kallade amyloider. Dessa fibrer kan sprida sig i hjärnan, vilket leder till förvärrade sjukdomssymtom. I Parkinsons sjukdom är det α-synuklein, ett protein som reglerar nervcellers hantering av signalsubstanser såsom dopamin, som bildar dessa fibrer. Varför fibrerna uppstår och hur de skadar nervceller är fortfarande oklart.

I min avhandling undersöker jag hur α-synuklein bildar fibrer och hur de sprids. Jag visar att vanliga salter i kroppen påverkar hur fibrerna formas och deras struktur, och att fragmentering, en process där fibrer bryts ned i mindre bitar, kan driva på strukturella förändringar. Resultaten visar att fibrerna kan anta många olika strukturer som fortsätter att förändras över tid, något som skulle kunna kopplas till sjukdomens svårighetsgrad. Jag visar också att olika fibertyper tas upp olika effektivt av celler, skiljer sig i hur de omvandlar normalt α-synuklein till skadliga former och ger upphov till olika sjukdomsrelaterade förändringar i cellerna. Detta tyder på att fibrernas inneboende egenskaper styr hur sjukdomen fortskrider.

Sammanfattningsvis ger avhandlingen en fördjupad förståelse för hur α-synukleinfibrer bildas, förändras och sprids i Parkinsons sjukdom, kunskap som är avgörande för att kunna utveckla framtida behandlingar.

Subject Categories (SSIF 2025)

Molecular Biology

Neurosciences

DOI

10.63959/chalmers.dt/5917

ISBN

978-91-8103-460-8

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5917

Publisher

Chalmers

VIVA-salen, våning 10, Kemihuset, Kemigården 4, Chalmers Campus Johanneberg

Opponent: Wei-Feng Xue, University of Kent, UK

More information

Latest update

8/3/2026 9