Structural basis and thermodynamics of protein aggregation and amyloid formation; in vivo effect of aggregates of different morphologies  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
68464
Type K
Principal investigator Kardos, József
Title in Hungarian A fehérjeaggregáció és amiloidképződés szerkezeti alapjai; a különféle morfológiájú aggregátumok kialakulásának körülményei és in vivo hatásuk vizsgálata
Title in English Structural basis and thermodynamics of protein aggregation and amyloid formation; in vivo effect of aggregates of different morphologies
Keywords in Hungarian Alzheimer-kór, amiloidképződés, fehérjeaggregáció, misfolding, vesedialízishez kötődő amiloidózis, beta2-mikroglobulin, az amiloidképződés termodinamikája, lizofoszfolipidek
Keywords in English Alzheimer's disease, amyloid formation, misfolding, protein aggregation, dialysis related amyloidosis, beta2-microglobulin, lysophospholipids
Discipline
Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)60 %
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)30 %
Molecular and cellular neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences)10 %
Panel Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent Department of Biochemistry (Eötvös Loránd University)
Participants Juhász, Gábor
Liliom, Károly
Starting date 2007-07-01
Closing date 2012-10-31
Funding (in million HUF) 17.083
FTE (full time equivalent) 4.20
state closed project
Summary in Hungarian
Fehérjeaggregációra, amiloidképződésre vezethető vissza számos neurodegeneratív betegség. Az újabb eredmények szerint e betegségek kialakulásában az amiloid formán kívül szerepet játszanak az egyéb aggregátumok, pl. az oligomerek, szférikus aggregátumok, protofilamentumok, amelyek toxikusabbak lehetnek az élő sejtek számára. Míg a natív, globuláris fehérjék feltekeredésének folyamata jól ismert, keveset tudunk az amiloid szálak szerkezetéről, kialakulásuk mechanizmusáról, és az őket stabilizáló tényezőkről. Az általunk kidolgozott izotermális titrációs kalorimetriai eljárással lehetővé válik az amiloidképződés termodinamikai jellemzése, a fehérjeaggregátumok stabilitását meghatározó tényezők felderítése. Az amiloid-β peptid fragmentumaiból és más fehérjékből különféle morfológiájú aggregátumokat képezünk (oligomerek, szférikus aggregátumok, protofilamentumok, amiloid szálak). Vizsgáljuk, hogyan határozzák meg a környezeti feltételek ezek kialakulását, milyen kapcsolat van a morfológia és a másodlagos szerkezet között. Nem tisztázott, hogy az Alzheimer-kór korai szakaszában milyen aggregátumok felelősek a memóriafunkciók zavaráért, azok hol és hogyan fejtik ki hatásukat. Eljárást dolgozunk ki az aggregátumok oligomerizációs fokának fluoreszcens jelöléssel való detektálására. In vivo mérésekkel tanulmányozzuk a különféle aggregátumok idegrendszeri hatását. Felderítjük a lizofoszfolipidek szerepét az amiloidképződésben. A terv megvalósításához komplex biofizikai, fiziko-kémiai és elektrofiziológiai módszereket használunk.
Summary
Amyloid deposition accompanies over 20 degenerative diseases in human, including Alzheimer’s, Parkinson’s and prion diseases. The newest results revealed the importance of other type of protein aggregates e.g. non-specific aggregates, protofibrils, and small oligomers in the development of such diseases and proved their increased toxicity for living cells in comparison with the mature amyloid fibrils. Our knowledge knowledge about the thermodynamics of protein aggregation and amyloid formation is limited. With our new method we directly study the thermodynamics of amyloid formation using isothermal titration calorimetry. Under appropriate conditions we can grow protein aggregates with different oligomerization levels and morphologies (oligomers, filaments, etc.) from amyloid-β peptide fragments and other amyloidogenic proteins. We investigate the effect of the environmental conditions on the morphology and its relationship to the secondary structure on the molecular level. It is not clear what type of aggregates play a role in the early symptoms of Alzheimer’s and responsible for memory impairment. We work out a method to detect the oligomerization level of the aggregates using fluorescence labeling. We study the in vivo effect of the different aggregates on the neuronal cells. We explore the potential role of lysophospholipids in amyloid propagation. To realize our research plan we use a complex repertoire of biophysical, physico-chemical and electrophysiological methods.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Fehérjeaggregációra, amiloidképződésre vezethető vissza számos neurodegeneratív betegség. Az újabb eredmények szerint e betegségek kialakulásában az amiloid formán kívül szerepet játszanak az egyéb aggregátumok, pl. az oligomerek, szférikus aggregátumok, protofilamentumok, amelyek toxikusabbak lehetnek az élő sejtek számára. Míg a natív, globuláris fehérjék foldingja jól ismert, keveset tudunk az amiloid szálak szerkezetéről, kialakulásuk mechanizmusáról, és az őket stabilizáló tényezőkről. Az általunk kidolgozott izotermális titrációs kalorimetriai eljárással és a fehérjeaggregátumok magas hőmérséklet indukálta disszociációjának vizsgálatával lehetővé vált az amiloidképződés termodinamikai jellemzése, a stabilitást meghatározó tényezők felderítése. Az amiloid-β peptid fragmentumaiból és más fehérjékből különféle morfológiájú aggregátumokat képeztünk és vizsgáltuk, a környezeti feltételek hatását, a morfológia és a szerkezet közötti kapcsolatot. Nem tisztázott, hogy az Alzheimer-kór korai szakaszában milyen aggregátumok felelősek a memóriafunkciók zavaráért és azok hogyan fejtik ki hatásukat. In vivo mérésekkel tanulmányoztuk a különféle aggregátumok idegrendszeri hatását. Eljárást dolgoztunk ki az aggregátumok oligomerizációs fokának fluoreszcens jelöléssel való detektálására. Felderítettük a lizofoszfolipidek szerepét az amiloidképződésben. A terv megvalósításához komplex biofizikai, molekuláris biológiai és elektrofiziológiai módszereket használtunk.
Results in English
Protein aggregation is associated with several neurodegenerative diseases. It has become obvious recently that besides the amyloid form, other type of aggregates (oligomers, spheric aggregates, protofilaments) also play role in the development of the disease bearing increased toxicity for the living cell. While the folding of globular proteins has been well characterized, our knowledge is limited on the structure, mechanism of formation and the stabilizing interactions of protein aggregates. With our previously developed method using isothermal titration calorimetry and the novel heat-induced depolymerization technique, we studied the thermodynamics of amyloid formation and characterized the effect of the different conditions and factors on the stability of protein aggregates and amyloid fibrils. It has not been known well what type of aggregates is responsible for the memory impairment in the early stages of Alzheimer’s disease. We studied the in vivo effect of amyloid-beta peptides at various oligomerization levels on the brain by electrophysiology and proteomics. We developed a method for the detection of the oligomerization level of aggregates by fluorescence labeling. We characterized the role of lysophospholipids in amyloid formation. Our plan was achieved by using the complex repertoire of biophysics, molecular biology and electrophysiology.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=68464
Decision
Yes





 

List of publications

  
Kardos, J., Micsonai, A., Pál-Gábor, H., Petrik, E., Gráf, L., Kovács, J., Lee, Y. H., Naiki, H., Goto, Y.: Reversible heat-induced dissociation of β2-microglobulin amyloid fibrils, Biochemistry, 50, 3211-3220 (2011), 2011
Szegő, E.M., Csorba, A., Janáky, T., Kékesi, K.A., Ábrahám, I.M., Mórotz, M.G., Penke, B., Palkovits, M., Murvai, Ü., Kellermayer, M.S.Z., Kardos, J., Juhász, G.D.: Effects of Estrogen on Beta-Amyloid-Induced Cholinergic Cell Death in the Nucleus Basalis Magnocellularis, Neuroendocrinology, 93,90-105 (2011), 2011
Major, B., Kardos, J., Kékesi, K. A., Lőrincz, Z., Závodszky, P., Gál, J.: Calcium-dependent conformational flexibility of a CUB domain controls activation of the complement serine protease C1r, J. Biol. Chem., 285, 11863-11869 (2010), 2010
Kovacs, E., Harmat, V., Tóth, J., Vértessy, B. G., Módos, K., Kardos, J., Liliom, K.: Structure and mechanism of calmodulin binding to a signaling sphingolipid reveal new aspects of lipid-protein interactions, FASEB J., (2010) in press, fj.10-155614, 2010
Orbán, G., Völgyi, K., Juhász, G., Penke, B., Kékesi, K.A., Kardos, J., and Czurkó: Different electrophysiological actions of 24- and 72-hour aggregated amyloid-beta oligomers on hippocampal field population spike in both anesthetized and awake rats, Brain Research, 1354, 227-235., 2010
Yamamoto, K., Yagi, H., Lee, Y.-H., Kardos, J., Hagihara, Y., Naiki, H. and Goto, Y: The amyloid fibrils of the constant domain of immunoglobulin light chain, FEBS Lett. in press, doi:10.1016/j.febslet.2010.06.019FEBS Letters,, 2010
Pál-Gábor, H., Gombos, L., Micsonai, A., Kovács, E., Petrik, É., Kovács, J., Gráf, L., Fidy, J., Naiki, H., Goto, Y., Liliom K., and Kardos J.: Mechanism of lysophosphatidic acid-induced amyloid fibril formation of beta2-microglobulin in vitro under physiological conditions, Biochemistry 48, 5689–5699, 2009
Hajdú, I., Szilágyi, A., Kardos, J., and Závodszky, P.: A link between hinge-bending domain motions and the temperature dependence of catalysis in IPMDH, Biophys. J 96, 5003–5012., 2009
Kardos, J., Harmat, V., Palló, A., Barabás, O., Szilágyi, K., Gráf, L., Náray-Szabó, G., Goto, Y., Závodszky, P., Gál, P: Revisiting the mechanism of the autoactivation of the complement protease C1r in the C1 complex: Structure of the active catalytic region of C1r, Molecular Immunology 45, 1752–1760, 2008
K. Völgyi, G. Orbán, G. Juhász, J. Kardos: CONTRARY EFFECT OF DIFFERENT Ab(1-42) AGGREGATES ON THE EXCITABILITY OF PIRAMIDAL CELLS IN THE RAT HIPPOCAMPUS IN VIVO, 9th International Conference on ADPD, Prague, March 11 - 15, 2009, 2009
András Micsonai, Árpád Karsai, Hisashi Yagi, Miklós Kellermayer, Yuji Goto & József Kardos: Michaelis-Menten kinetics as a model of amyloid fibril elongation and the role of breakage in the amyloid propagation of β2-microglobulin, International Bunsen Discussion Meeting Structure of Amyloid Fibrils and Mechanism of Amyloid Formation 8 ‐ 11 February 2009, Halle an der Saale, 2009
Kardos J: Thermodynamics of amyloid formation of β2-microglobulin, From Solid State to Biophysics IV, June 6-13, 2008, Cavtat, Dubrovnik, Croatia (előadás), 2008
Pál-Gábor, H., Gombos, L., Kovács, J., Kardos, J., Liliom, K.: Lysophosphatidic acid selectively interacts with β2-microglobulin and induces its amyloid fibril formation, Workshop-Lipids as regulators of cell function, June 16-21, 2008, Island of Spetses, Greece, 2008
Orbán, G., Penke, B., Kardos J. & Juhász G.: Examination of the effect of beta-amyloid aggregates on the hippocampal population of spikes in rat, 6th FENS Forum of European Neuroscience, July 12-16, 2008, Geneva, Switzerland, 2008



Back »