Advanced

The Molecular Chaperone DNAJB6 - A Suppressor of Disease Related Amyloid Fibril Formation

Månsson, Cecilia LU (2014)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Proteiner är en av kroppens viktigaste beståndsdelar. Proteiner bygger upp stabila nätverk för att cellerna ska ha sin rätta form, de transporterar in vatten, salt och andra molekyler in i cellerna så att vi kan ta upp näring och de katalyserar kemiska reaktioner. Proteiner är uppbyggda av aminosyror som binds ihop till en kedja och som sedan veckar ihop sig så att proteinet får sin nativa struktur som är nödvändig för att proteinet ska fungera som det ska. Vi har ca 100 000 proteiner i våra celler och kroppen har intrikata system för att se till att alla dessa proteiner behåller sin nativa struktur och fungerar och samverkar som de ska. Det sker dock hela tiden att proteiner veckar sig fel,... (More)
Popular Abstract in Swedish

Proteiner är en av kroppens viktigaste beståndsdelar. Proteiner bygger upp stabila nätverk för att cellerna ska ha sin rätta form, de transporterar in vatten, salt och andra molekyler in i cellerna så att vi kan ta upp näring och de katalyserar kemiska reaktioner. Proteiner är uppbyggda av aminosyror som binds ihop till en kedja och som sedan veckar ihop sig så att proteinet får sin nativa struktur som är nödvändig för att proteinet ska fungera som det ska. Vi har ca 100 000 proteiner i våra celler och kroppen har intrikata system för att se till att alla dessa proteiner behåller sin nativa struktur och fungerar och samverkar som de ska. Det sker dock hela tiden att proteiner veckar sig fel, interagerar med andra proteiner på ett felaktigt sätt och kan därför inte heller utföra sin funktion. Felaktiga interaktioner kan leda till att proteiner aggregerar, klumpar ihop sig, och kan därmed störa andra cellulära funktioner.

Bildningen av amyloida fibriller, där ett stort antal av samma protein binder till varandra till en generell struktur till långa rigida fibriller vilket leder till att celler och vävnader i kroppen förstörs. Över 20 proteiner har visats sig kunna bilda amyloida fibriller, bland annat de små proteinerna, eller peptiderna, Aβ som orsakar Alzheimers sjukdom och huntingtin exon-1 (HttEx1) med en förlängd region med aminosyran glutamin (polyQ) som orsakar Huntingtons sjukdom. Båda dessa sjukdomar bryter ner nervceller i hjärnan och kan orsaka demens och personlighetsförändringar.

Molekylära chaperoner är proteiner som hjälper andra proteiner att anta och behålla sin nativa struktur. De förhindrar proteiner från att aggregera och när det behövs se till att felaktiga proteiner bryts ner. Chaperoner är involverade i många olika processer och jobbar i sammanvävda nätverk där olika chaperonfamiljer har specifika uppgifter för att hålla alla cellens proteiner i gott skick.

I en studie jämfördes olika chaperoners förmåga att förhindra aggregeringen av HttEx1 och två nära besläktade chaperoner, DNAJB6 och DNAJB8 visade sig vara mycket bättre än alla andra på detta och på så vis potentiellt sett kunna minska risken för Huntingtons sjukdom. I arbetet i min avhandling har jag studerat DNAJB6 för att undersöka hur detta chaperon kan förhindra bildningen av amyloida fibriller i modellsystem med isolerade proteiner. Vi har framställt och isolerat DNAJB6 och undersökt dess förmåga att förhindra bildningen av amyloida fibriller av Aβ, HttEx1 och en polyQ peptid. DNAJB6 förhindrade polyQ och Aβ från att bilda fibriller, men DNAJB6 kunde inte förhindra fibrillbilningen av HttEx1 lika bra, vilket visar på att DNAJB6 är bättre på att interagera med peptider istället för proteiner.

Med hjälp av en kinetisk analysmetod kan man få information om hur molekyler som förhindrar amyloidbilningen fungerar. Det första som händer när amyloida fibriller bildas är att två av peptiderna går ihop till en kärna vilken sedan byggs på med fler och fler peptider. DNAJB6 verkar främst genom att binda dessa tidiga kärnor och förhindra att de växer vidare till fibriller.

En särskild region, den S/T-rika regionen, i DNAJB6 har tidigare visats vara betydelsefull för dess funktion. Den är rik på aminosyrorna serin och treonin, vilka båda har en hydroxylgrupp i sidokedjan som skulle kunna förhindra bildningen av amyloida fibriller. Vi ville undersöka om serinerna och treoninerna i den S/T-rika regionen är viktig för funktionen av DNAJB6 och konstruerade därför mutanter av DNAJB6 där vi gradvis har bytt ut fler och fler seriner och treoniner till alaniner, en aminosyra utan hydroxylgrupp. Ju fler seriner och treoniner som byttes ut, desto mindre kunde DNAJB6 förhindra bildningen av amyloida fibriller både för polyQ och Aβ.

Ett proteins struktur ät tätt kopplat till dess funktion och genom att veta strukturen kan man dra slutsatser om hur proteiner fungerar. Vi har gjort en modell av strukturen för DNAJB6 och verifierat att den skulle kunna stämma. Modellen om visar hur proteinet är uppbyggt, var den S/T-rika regionen finns och hur peptider kanske kan binder in till DNAJB6. Detta är värdefullt för vidare studier på DNAJB6.

Våra resultat leder till slutsatsen att DNAJB6 mycket effektivt kan för att förhindra bildningen av amyloida fibriller av både polyQ och Aβ peptider genom att stoppa processen i ett tidigt skede. Vi har visat på flera detaljer i mekanismen som inte var kända tidigare. Den här kunskapen skulle kunna utnyttjas för att förebygga och behandla sjukdomar som orsakas av bildningen av amyloida fibriller, antingen genom att öka uttrycket av DNAJB6 eller genom att utnyttja kunskapen om mekanismen för att skapa andra molekyler som kan verka på ett liknande sätt. Vårt arbete har också ökat den allmänna kunskapen om hur molekylära chaperoner skulle kunna verka för att förhindra aggregering och fibrillbildning. (Less)
Abstract
Several neurodegenerative diseases are caused by peptides or proteins forming amyloid fibrils such as the Aβ peptide involved in Alzheimer’s disease and the huntingtin exon-1 with a prolonged polyglutamine (polyQ) stretch involved in Huntington’s disease. The ability to form amyloid fibrils is an intrinsic feature in all proteins. The fibrils are built up of monomers to form elongated structures with β-sheets perpendicular to the fiber axis. Molecular chaperones are involved in maintaining the protein homeostasis in the cells, in preventing protein aggregation, in refolding misfolded proteins and in mediating degradation of proteins and also in preventing amyloid fibril formation. DNAJB6 is a member of the HSP40 chaperone family, and has... (More)
Several neurodegenerative diseases are caused by peptides or proteins forming amyloid fibrils such as the Aβ peptide involved in Alzheimer’s disease and the huntingtin exon-1 with a prolonged polyglutamine (polyQ) stretch involved in Huntington’s disease. The ability to form amyloid fibrils is an intrinsic feature in all proteins. The fibrils are built up of monomers to form elongated structures with β-sheets perpendicular to the fiber axis. Molecular chaperones are involved in maintaining the protein homeostasis in the cells, in preventing protein aggregation, in refolding misfolded proteins and in mediating degradation of proteins and also in preventing amyloid fibril formation. DNAJB6 is a member of the HSP40 chaperone family, and has been found to be superior compared to other chaperones in its ability to prevent aggregation of huntingtin exon-1 in human cells. In this thesis we have expressed and purified DNAJB6 in order to characterize its structure and function. Our data show that DNAJB6 also in vitro can suppress the fibril formation of polyQ and Aβ peptides by a direct interaction. By kinetic analysis of the nucleation rate constants we conclude that there is a strong binding between DNAJB6 and the early aggregated species. This prevents them from growing further and thereby efficiently inhibiting fibril formation. It was previously suggested that the inhibitory effect was due to a serine and threonine rich region in DNAJB6. We constructed a series of serine and threonine to alanine substitutions mutants of DNAJB6. The potency of DNAJB6 to suppress amyloid fibril formation declined in proportion to the number of substitutions. Furthermore, a structure model of DNAJB6 was generated and evaluated with chemical crosslinking mass spectrometry. The model revealed a possible domain arrangement where the conserved serine- and threonine-rich region forms a disordered protruding domain located between the well-ordered N- and C-terminal domains. The results obtained in this thesis suggest that DNAJB6 is an efficient suppressor of amyloid fibril formation, acting early in the self-assembly process. Since DNAJB6 is expressed in the brain and can prolong the life-span of a Huntington’s disease mouse model, it is a potential therapeutic target for neurodegenerative diseases. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Cheetham, Michael, Institute of Ophthalmology, UCL, United Kingdom
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
DNAJ, HSP40, molecular chaperones, amyloid fibrils, Alzheimer’s disease, Huntington’s Disease, crosslinking mass spectrometry, chemical kinetics, aggregation, fibril formation
pages
166 pages
publisher
Department of Chemistry, Lund University
defense location
Lecture hall B, Centre for Chemistry and Chemical Engineering, Lund
defense date
2014-12-12 09:15
ISBN
978-91-7422-378-1
language
English
LU publication?
yes
id
f475f263-31b6-4989-81bd-1aa466807429 (old id 4779986)
date added to LUP
2014-11-24 15:40:52
date last changed
2016-09-19 08:45:05
@misc{f475f263-31b6-4989-81bd-1aa466807429,
  abstract     = {Several neurodegenerative diseases are caused by peptides or proteins forming amyloid fibrils such as the Aβ peptide involved in Alzheimer’s disease and the huntingtin exon-1 with a prolonged polyglutamine (polyQ) stretch involved in Huntington’s disease. The ability to form amyloid fibrils is an intrinsic feature in all proteins. The fibrils are built up of monomers to form elongated structures with β-sheets perpendicular to the fiber axis. Molecular chaperones are involved in maintaining the protein homeostasis in the cells, in preventing protein aggregation, in refolding misfolded proteins and in mediating degradation of proteins and also in preventing amyloid fibril formation. DNAJB6 is a member of the HSP40 chaperone family, and has been found to be superior compared to other chaperones in its ability to prevent aggregation of huntingtin exon-1 in human cells. In this thesis we have expressed and purified DNAJB6 in order to characterize its structure and function. Our data show that DNAJB6 also in vitro can suppress the fibril formation of polyQ and Aβ peptides by a direct interaction. By kinetic analysis of the nucleation rate constants we conclude that there is a strong binding between DNAJB6 and the early aggregated species. This prevents them from growing further and thereby efficiently inhibiting fibril formation. It was previously suggested that the inhibitory effect was due to a serine and threonine rich region in DNAJB6. We constructed a series of serine and threonine to alanine substitutions mutants of DNAJB6. The potency of DNAJB6 to suppress amyloid fibril formation declined in proportion to the number of substitutions. Furthermore, a structure model of DNAJB6 was generated and evaluated with chemical crosslinking mass spectrometry. The model revealed a possible domain arrangement where the conserved serine- and threonine-rich region forms a disordered protruding domain located between the well-ordered N- and C-terminal domains. The results obtained in this thesis suggest that DNAJB6 is an efficient suppressor of amyloid fibril formation, acting early in the self-assembly process. Since DNAJB6 is expressed in the brain and can prolong the life-span of a Huntington’s disease mouse model, it is a potential therapeutic target for neurodegenerative diseases.},
  author       = {Månsson, Cecilia},
  isbn         = {978-91-7422-378-1},
  keyword      = {DNAJ,HSP40,molecular chaperones,amyloid fibrils,Alzheimer’s disease,Huntington’s Disease,crosslinking mass spectrometry,chemical kinetics,aggregation,fibril formation},
  language     = {eng},
  pages        = {166},
  publisher    = {ARRAY(0x7b007e8)},
  title        = {The Molecular Chaperone DNAJB6 - A Suppressor of Disease Related Amyloid Fibril Formation},
  year         = {2014},
}