Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)
100 %
Panel
Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent
Institute of Biophysics (University of Pécs)
Participants
Karsai, Árpád
Starting date
2006-01-01
Closing date
2008-12-31
Funding (in million HUF)
2.668
FTE (full time equivalent)
0.60
state
closed project
Summary in Hungarian
Kutatási tervünkkel OTKA T049591 támogatásunkra épülő, újonnan kialakított nemzetközi együttműködés működési költségeit pályázzuk. Az amiloidózis súlyos, általában halállal végződő betegség, melyben oldhatatlan aggregátumok, amiloid fibrillumok halmozódnak fel különböző szövetekek extracelluláris térrészeiben. Az amiloid fibrillumok szerkezete, dinamikája, kialakulásuk és celluláris hatásaik mechanizmusai nem pontosan ismertek. Az amiloid fibrillumok szerkezeti viszgálata igen nehézkes az oldhatatlanság és aggregáció miatt. A transthyretin amiloidózis prekurzor fehérjéje a normális vagy mutáns transthyretin (TTR), amely főleg a májban termelődő transzportfehérje. Egy újszerű megközelítésben atomerőmikroszkópiát (AFM) és egyedi molekula erőspektroszkópiát alkalmaztunk Aß fibrillumok (Alzheimer-kórban felhalmozódó fibrillumok) vizualizálására és mechanikai manipulációjára. A megfigyelt repetitív erőmintázat a fibrillumok egyfajta nanomechanikai ujjlenyomatát adja. Kísérleti tervünk az, hogy a nanomechanikai ujjlenyomat megmérésével karakterizáljuk a transthyretin amiloid fibrillumokat. Az együttműködésünk célja a transthyretin amyloid fibrillumok szerkezetének és szerkezeti dinamikájának karakterizálása nanobiotechnológiai módszerek segítségével. Kutatócsoportjaink között már elkezdődött a kísérleti minták (transthyretin peptidek) cseréje, és a kezdeti kísérletek a transthyretin fibrillumok nanomechanikai jellemzésére folyamatban vannak.
Summary
With the present proposal we supplement our OTKA T049591 grant in order to provide running costs for a newly established international collaboration. Amyloidosis is a severe, usually fatal clinical disorder in which insoluble filamentous aggregates called amyloid fibrils are deposited in the extracellular space of various tissues. The exact structure, dynamics, and the mechanisms of the amyloid fibrils' formation and cellular effects are not clearly understood. The structure of amyloid fibrils has for long been difficult to explore because of insolubility and aggregation. The precursor protein of various forms of transthyretin amyloidoses is a normal or mutant-sequence transthyretin (TT), a transport protein synthesized primarily by the liver. We have recently used atomic force microscopy (AFM) and single-molecule force spectroscopy to visualize and mechanically manipulate Aß-fibrils' the fibrils present in Alzheimer's disease. The observed repeatable force patterns provided a nanomechanical fingerprint of the Aß-fibril. We propose to utilize this nanomechanical fingerprinting method to explore the properties of transthyretin amyloid fibrils. The aim of our collaboration is to utilize nanobiotechnology tools to explore the structure and structural dynamics of transthyretin amyloid fibrils. Exchange of materials and ideas have begun and preliminary experiments on the nanomechanical behavior of transthyretin fibrils are currently under way.
Final report
Results in Hungarian
Kísérleteinkben AFM segítségével vizsgáltuk transthyretin (TTR) amiloid fibrillumok amiloidogén fibrillum képződési mechanizmusait. Protofibrillumokon végzett egyedi molekula erőspektroszkópiai mérések eredményeit a natív TTR szerkezeti paramétereivel hasonlítottuk össze annak érdekében, hogy szerkezeti és dinamikai bepillantást nyerjünk a fibrillumok belső elrendezésébe és az összetartó erők természetébe. Időfüggő AFM felvételek segítségével a protofibrillum képződést követő belső szerkezeti változásokat térképeztük fel. Eredményeink szerint a protofibrillum képződés első lépése amorf aggregátumok kialakulása, amelyek idővel gyűrű alakú szerkezetekké állnak össze. Hasonló gyűrű alakú intermediéreket más amiloid fibrillumok esetében is megfigyeltek. A gyűrűk egymáshoz rendeződve tubuláris strukturákat alakítanak ki, amely a protofibrillum kialakulásának további alapját képezi. Az oldat kicserélésére a struktura szétesik, szétzippzározódási lépéseken keresztül. A nanomechanikai mérések arra utalnak, hogy a TTR egységek ß-szálak mentén tekerednek szét, továbbá érett protofibrillumokban az intermonomerikus kapcsolatok megerősödnek. Megfigyeléseink alapján a TTR fibrillogenezis egy szerkezeti modelljét állítottuk fel.
Results in English
In this work we used AFM to follow the amyloidogenetic pathway of transthyretin (TTR) by imaging the events leading to the formation of amyloid protofilaments. Single-molecule force spectroscopy (SMFS) of protofilaments was compared to naïve TTR in order to probe dynamic and structural differences. We observed that the pathway proceeds through the formation of transient amorphous aggregates, followed by the occurrence of annular oligomers (rings or doughnuts). In other types of amyloidoses similar ring structures have been implicated in cytoxicity, but their properties and involvement in the amyloid pathway are poorly understood. We show that the rings have a tendency to stack, forming tubular protofilaments. These tubular protofilaments precede the appearance of amyloid protofilaments. Their height and pitch resemble those of previous structural models for the TTR amyloid protofilament. Upon solvent exchange we also observed amyloid protofilament dissociation. The dissociation appears to proceed through an unzipping mechanism, revealing structures reminiscent of the TTR annular oligomers. SMFS of protofilaments revealed a time-dependent increase in the length of the manipulated structure, suggesting that associations between monomers stabilize with time. Force spectra of native TTR and protofilaments contained transitions spaced 4 nm apart, indicating that the component β-strands unfold sequentially. Based on our results a model of TTR protofilament assembly is proposed.
Pires RH, Karsai A, Saraiva MJ, Kellermayer MSZ, Damas AM: Understanding the Transthyretin Amyloidogenesis Pathway, Revista Portuguesa de Farmácia LII(3): 36, 2008
Pires RH, Karsai A, Saraiva MJ, Kellermayer MSZ, Damas AM: Understanding the Transthyretin Amyloidogenesis Pathway, National Meeting on Medicinal Chemistry, 13-15th Nov. 2008, Porto - PORTUGAL, 2008
Pires RH, Karsai A, Saraiva MJ, Damas AM and Kellermayer, MSZ.: Structure Of Transthyretin Amyloid Fibrils Explored With AFM Imaging and Nanomanipulation, XVI National Congress of Biochemistry, 22-26th October 2008, Azores - PORTUGAL, 2008
Pires RH, Karsai A, Saraiva MJ, Kellermayer, MSZ and Damas AM.: Transthyretin Amyloidogenesis Pathway: insights from AFM and force spectroscopy, EURAMY Meeting, 17-18th Oct. 2008. Póvoa do Varzim - PORTUGAL, 2008
Pires RH, Karsai A, Saraiva MJ, Damas AM and Kellermayer, MSZ.: Assembly and Structure of Transthyretin Amyloid Protofilaments revealed by AFM Imaging and Single Molecule Force Spectroscopy, EBSA Congress 6-9 July, 2009, Genova, Italy., 2009
