Impact of α-Synuclein on Proteasome Homeostasis and Rational Design of Aggregation Inhibitors
Impact of α-Synuclein on Proteasome Homeostasis and Rational Design of Aggregation Inhibitors
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Original abstract
Parkinson´s Disease (PD) is an age-related neurodegenerative disorder characterized by the progressive loss of dopaminergic neurons, particularly located in the substantia nigra pars compacta of the brain. Key driver of neurodegeneration is the formation of amyloid fibrils consisting of the small, intrinsically disordered protein α-synuclein (αSyn). As a result of αSyn aggregation, many aspects of cellular homeostasis are negatively impacted, including protein degradation, thereby creating a self-propelling cycle. In this work, two projects are presented: (i) the rational design of peptides that are capable at blocking amyloidogenesis at an early stage; and (ii) the identification of a proteasome assembly containing the 20Sinteracting protein Blm10, which can degrade αSyn monomers and oligomers, thereby effectively counteracting their cytotoxic effects. The rational design of novel peptide-based aggregation inhibitors was based on previously identified peptides that emerged from an in vivo screen using a large random peptide library in Saccharomyces cerevisiae. Two distinct classes of peptides were identified: (i) α-helical peptides, containing amino acids with charged side chains, and (ii) anti-parallel β-sheet forming peptides, rich in unipolar and aromatic amino acids. The α-helical peptides were found to interact with monomeric αSyn, whereas the β-sheet peptides preferentially interact with small oligomeric species. Both classes efficiently block aggregation at a pre-amyloid state and rescue cytotoxicity in yeast and human cell models, making them promising lead compounds for future drug development. The proteasome interacting protein Blm10 was identified in a proteome wide stability assay as having significantly increased stability upon αSyn expression. Notably, overexpression of BLM10 revealed a protective effect against αSyninduced proteasome inhibition. Blm10 interacts with the 20S proteasomes via its HbYX-like motif, promoting gate opening and thereby enhancing αSyn turnover. Overexpression of Blm10 or its human ortholog PA200 reduces αSyn aggregation via activation of the 20S proteasome. Blm10-capped 20S proteasomes efficiently degrade αSyn monomers and oligomers. These findings identify Blm10/PA200 as key regulators of αSyn proteostasis and cellular protection under proteotoxic stress. Morbus Parkinson (PD) ist eine altersbedingte neurodegenerative Erkrankung, die zum fortschreitenden Absterben dopaminerger Neuronen führt. Hauptursache der Neurodegeneration ist die Bildung amyloider Fibrillen aus dem kleinen, unstrukturierten Protein α-Synuclein (αSyn). Die Aggregation von αSyn beeinträchtigt zahlreiche Aspekte der zellulären Homöostase, unter anderem die Proteinabbaumechanismen, was einen sich selbst verstärkenden Kreislauf in Gang setzt. In dieser Arbeit werden zwei Projekte vorgestellt: (I) Das rationale Design von Peptiden, die in der Lage sind, die Amyloidbildung bereits in einem frühen Stadium zu stoppen und (II) Die Identifikation von Blm10-gekoppelten Proteasomen, welche in der Lage sind αSyn effektiv abzubauen. Das Design neuartiger Peptide als Aggregations-inhibitoren basierte auf zuvor veröffentlichten Strukturen, die aus einem in vivo-Screening einer Sammlung zufälliger Peptide hervorgingen. Zwei verschiedene Gruppen von Strukturen wurden identifiziert: α-helikale Peptide mit mehreren polaren Aminosäuren, welche mit monomeren αSyn interagieren und β-Faltblatt Peptide mit mehreren unpolaren oder aromatischen Aminosäuren, welche mit Oligomeren interagieren. Beide Peptidgruppen stoppen die Aggregation im prä-amyloiden Zustand und verhindern so die Zytotoxizität in Hefe- und menschlichen Zellmodellen. Diese Eigenschaften machen sie zu idealen „lead-compounds“ für zukünftige Arzneistoffe. Im Rahmen eines proteomweiten Screens, zeigte sich das Blm10 signifikant stabiler ist, wenn αSyn in Hefe exprimiert wird. Eine erhöhte Blm10-Stabilität wirkt sich jedoch nicht negativ auf die Zelle aus; vielmehr führt die Überexpression von BLM10 zu einem schützenden Effekt gegenüber der durch αSyn verursachten Toxizität und Proteasominhibition. Blm10 aktiviert das 20S-Proteasom über ein HbYX-ähnliches Motiv und erleichtert so den Abbau von αSyn. Die Entdeckung des Blm10-gekoppelten 20S-Proteasoms als zellulären Schutzmechanismus gegen αSyn-Aggregation hat potentiell therapeutischen Nutzen. Bemerkenswert ist, dass die Expression des Blm10-Orthologs PA200 im Alter abnimmt und bei Parkinson-Patienten noch stärker reduziert ist. Dies weist darauf hin, dass Blm10/PA200-gekoppelte Proteasomen einen wichtigen, bei Parkinson gestörten, Schutzmechanismus darstellen.