https://doi.org/10.1101/2025.01.29.635265
Abstract
α-Synuclein (αSyn) is a neuronal protein predominantly found in the brain, whose native function seems to be associated with vesicle trafficking. While intrinsically disordered in solution, the first ca. 100 residues adopt an amphipathic α-helical structure when the protein adsorbs onto membranes. Additionally, the aggregation of αSyn into highly ordered β-sheet rich amyloid fibrils is associated with Parkinsońs disease. The different regions of αSyn and the interactions between them have been reported to play a key role in the behaviour of the protein in solution, its membrane binding, and its aggregation into fibrils.
This study employs photo-induced cross-linking of unmodified proteins (PICUP) to capture and identify the transient contacts of αSyn in different conformational states: free in solution, adsorbed to membranes, and aggregated into fibrils. By using tyrosine-to-phenylalanine mutations to block the reactivity of specific amino acid residues, we establish key cross-links in each state. In solution, we identify internal contacts between the N and C termini of monomers, as well as inter-monomer contacts between C termini in oligomers. When αSyn is adsorbed to membranes, the internal cross-linking is blocked, while cross-linking between C-terminal regions persists. In fibrils, cross-linking is significantly reduced, primarily occurring between C-terminal residues of adjacent monomers. This work highlights the utility of PICUP for reporting on the transient contacts that occur on the pathways of self- and co-assembly of αSyn.
요약
- α-시누클레인의 일시적인 상호작용 연구: α-시누클레인(α-Synuclein, αSyn)은 신경세포에서 발견되는 단백질로, 소포 수송에 관여하지만, 파킨슨병과 같은 신경퇴행성 질환에서 응집(fibrillation)이 주요 원인으로 작용합니다. 본 연구에서는 단백질의 일시적(transient) 상호작용을 규명하기 위해 'Photo-Induced Cross-Linking of Unmodified Proteins (PICUP)' 기법을 활용하였습니다.
- α-시누클레인의 세 가지 주요 상태 분석: 연구진은 αSyn이 용액 상태(3D), 막 결합 상태(2D), 섬유화 상태(1D)에서 어떻게 다른 상호작용을 보이는지를 분석하였습니다. 용액에서는 N-말단과 C-말단 간의 내부 결합이 관찰되었으며, 막 결합 시 내부 결합이 차단되었고, 섬유화 상태에서는 단량체 간 상호작용이 줄어들며 C-말단끼리의 상호작용이 주요한 형태로 나타났습니다.
- 티로신(Tyr) 변이를 이용한 상호작용 부위 규명: αSyn의 특정 아미노산(티로신, Tyr)을 페닐알라닌(Phe)으로 변형하여 상호작용을 차단하는 실험을 수행하였습니다. 그 결과, Y39은 내부 결합에, Y125, Y133, Y136은 단량체 간 결합에 중요한 역할을 한다는 점을 확인하였습니다. 특히, Y39이 C-말단과의 내부 결합을 형성하며 단백질의 구조적 안정성을 조절하는 것으로 나타났습니다.
- 막 결합 및 섬유화 과정에서 αSyn의 상호작용 변화: αSyn이 지질막에 결합하면 내부 결합이 사라지고, C-말단 간의 상호작용이 증가하는 것으로 확인되었습니다. 또한, 섬유화가 진행되면 단량체 간의 결합이 줄어들고, 인접 단량체 간의 약한 C-말단 결합만이 유지되는 것으로 나타났습니다. 이는 αSyn이 환경에 따라 다른 상호작용 패턴을 보이며, 이러한 변화가 신경퇴행성 질환과 밀접한 관련이 있음을 시사합니다.
- 신경퇴행성 질환 치료 연구에 대한 시사점: 본 연구는 αSyn이 상황에 따라 다른 결합 양상을 보이며, 특정 환경에서 응집이 촉진될 가능성이 있음을 보여주었습니다. 이러한 결과는 파킨슨병과 같은 질환에서 αSyn의 응집을 억제하는 치료 전략을 개발하는 데 중요한 기초 자료가 될 수 있습니다. 향후 연구에서는 αSyn의 상호작용을 조절하는 기법을 활용하여 신경퇴행성 질환의 진행을 막는 새로운 치료법 개발이 가능할 것으로 기대됩니다.