Advanced

Effect of Ganglioside GM3 on the Mobility and Mesostructure of Lipid and α-Synuclein Co-assemblies: A Combined Polarization Transfer Solid-State NMR and Scattering Study

Fridolf, Simon LU (2018) KEMR17 20181
Department of Chemistry
Abstract
The 13C mobility and cross-β-sheet structure of lipid-protein co-assemblies formed by incubating ganglioside GM3-containing model membranes with the amyloid protein α-synuclein were investigated by solid-state NMR and wide-angle X-ray scattering (WAXS) at varying lipid-to-protein ratios and membrane compositions at body temperature. The POPCGM3 model membrane was characterized by PT ssNMR and X-ray scattering, and monitored during the co-assembly process using dynamic light scattering (DLS) and zeta potential measurements. The model lipid systems were shown by SAXS, 31P NMR and cryo-TEM to form several co-existing phases at 20 wt% lipids. The mobility of the lipid main acyl chain and GM3 headgroup was found to decrease after co-assembly,... (More)
The 13C mobility and cross-β-sheet structure of lipid-protein co-assemblies formed by incubating ganglioside GM3-containing model membranes with the amyloid protein α-synuclein were investigated by solid-state NMR and wide-angle X-ray scattering (WAXS) at varying lipid-to-protein ratios and membrane compositions at body temperature. The POPCGM3 model membrane was characterized by PT ssNMR and X-ray scattering, and monitored during the co-assembly process using dynamic light scattering (DLS) and zeta potential measurements. The model lipid systems were shown by SAXS, 31P NMR and cryo-TEM to form several co-existing phases at 20 wt% lipids. The mobility of the lipid main acyl chain and GM3 headgroup was found to decrease after co-assembly, while the mobility of the α-synuclein C-terminal residues was affected by co-assembly in a non-monotonic way depending on the
lipid-to-protein molar ratio. Selective GM3 uptake was indicated by PT ssNMR at an excess of 30 mol% GM3 vesicles. WAXS showed that the cross-β-structure is affected by lipid-protein co-assembly, which decreases the inter-strand distance. DLS and zeta potential measurements during the incubation process show that the zeta potential of SUVs decrease during the coassembly. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Parkinsons sjukdom är den näst vanligaste neurologiska sjukdomen efter Alzheimers sjukdom och drabbar årligen runt 2000 personer i Sverige. Sjukdomen drabbar oftast personer över 55 år och ger problem med nedsatt rörelseförmåga, ofrivilliga skakningar och stelhet. Idag finns ingen behandling som botar Parkinsons, och det största hindret mot utvecklingen av en effektiv behandling är bristen på kunskap om de underliggande molekylära händelserna som ger upphov till sjukdomen.

Orsaken till Parkinsons är inte klarlagd, men den är en såkallad amyloid sjukdom och kännetecknas av att proteiner som finns naturligt i hjärnan veckas felaktigt och bildar fibriller, som sedan klumpas ihop i stora aggregat kallade Lewykroppar. Lewykroppar har hittats... (More)
Parkinsons sjukdom är den näst vanligaste neurologiska sjukdomen efter Alzheimers sjukdom och drabbar årligen runt 2000 personer i Sverige. Sjukdomen drabbar oftast personer över 55 år och ger problem med nedsatt rörelseförmåga, ofrivilliga skakningar och stelhet. Idag finns ingen behandling som botar Parkinsons, och det största hindret mot utvecklingen av en effektiv behandling är bristen på kunskap om de underliggande molekylära händelserna som ger upphov till sjukdomen.

Orsaken till Parkinsons är inte klarlagd, men den är en såkallad amyloid sjukdom och kännetecknas av att proteiner som finns naturligt i hjärnan veckas felaktigt och bildar fibriller, som sedan klumpas ihop i stora aggregat kallade Lewykroppar. Lewykroppar har hittats i hjärnan hos Parkinsons- och demenspatienter och förknippas med nedbrytningen av nervceller som ger upphov till sjukdomssymptomen. För att förstå den molekylära uppkomsten och dess implikationer för sjukdomsförloppet är det därför värdefullt att undersöka hur den främsta byggstenen för dessa Lewykroppar: proteinet alfa-synuklein, interagerar med sin omgivning och hur det påverkar uppbyggnaden av Lewykroppar.

En stor mängd forskning har fokuserat på hur alfa-synuklein interagerar med cellmembran (vars främsta byggsten är lipider), eftersom lipider har hittats i Lewykroppar. Det har visat sig att interaktionen mellan lipider och alfa-synuklein stimulerar både aggregeringsprocessen när proteinet binder till membranytan, och att själva strukturen av membranen kan skadas vilket kan få patologiska konsekvenser. En lipidklass som kallas gangliosider är vanliga i hjärnan och utgör 10-12% av lipidinnehållet hos nervcellernas membran. De består till del av en sockergrupp som sticker ut från cellmembranet och kan användas för att interagera med proteiner eller andra molekyler och anses ha en funktion inom cellsignalering. Gangliosiden GM3 har hittats ackumulerad i hjärnor från patienter med Parkinsons sjukdom och membran som innehåller GM3 har visats accelerara aggregering av alfa-synuklein. I en studie identifierades gangliosiderna GM1 och GM3 som komponenterna av membranet som är ansvariga för effekten på aggregeringshastigheten.

Traditionellt sett så har lipid-protein interaktionen studeras ur ett persepektiv där membranet anses förblir intakt, men med tanke på att interaktionen mellan protein och membran även kan skada membranet när lipider tas upp när de byggs ihop till en nya struktur så studerar vi här processen som en sam-aggregering där hela systemet förblir dynamiskt. I det här arbetet undersöks först strukturen av ett modellmembran som innehåller gangliosiden GM3, och sedan de sam-aggregerade strukturerna av alfa-synuklein och membran med hjälp av fyra olika
tekniker:
Kärnmagnetisk resonans-spektroskopi, som här ger atomupplöst information om hur
rörligheten och ordningen av både protein och lipider påverkas beroende på hur de sitter ihop och interagerar.
Dynamisk ljus- och röntgenspridning, som ger information om storlek, form
och avståndsförhållanden inom strukturerna. Zeta-potential mätningar, som ger den elektriska potentialen som uppstår utanför ytan av partiklar och membran i vattenlösning och påverkas av bl.a. lipidsammansättningen. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Fridolf, Simon LU
supervisor
organization
course
KEMR17 20181
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
NMR, alpha-synuclein, lipid membranes, physical chemistry, fysikalisk kemi
language
English
id
8953886
date added to LUP
2018-08-05 10:08:38
date last changed
2018-08-05 10:08:38
@misc{8953886,
  abstract     = {The 13C mobility and cross-β-sheet structure of lipid-protein co-assemblies formed by incubating ganglioside GM3-containing model membranes with the amyloid protein α-synuclein were investigated by solid-state NMR and wide-angle X-ray scattering (WAXS) at varying lipid-to-protein ratios and membrane compositions at body temperature. The POPCGM3 model membrane was characterized by PT ssNMR and X-ray scattering, and monitored during the co-assembly process using dynamic light scattering (DLS) and zeta potential measurements. The model lipid systems were shown by SAXS, 31P NMR and cryo-TEM to form several co-existing phases at 20 wt% lipids. The mobility of the lipid main acyl chain and GM3 headgroup was found to decrease after co-assembly, while the mobility of the α-synuclein C-terminal residues was affected by co-assembly in a non-monotonic way depending on the
lipid-to-protein molar ratio. Selective GM3 uptake was indicated by PT ssNMR at an excess of 30 mol% GM3 vesicles. WAXS showed that the cross-β-structure is affected by lipid-protein co-assembly, which decreases the inter-strand distance. DLS and zeta potential measurements during the incubation process show that the zeta potential of SUVs decrease during the coassembly.},
  author       = {Fridolf, Simon},
  keyword      = {NMR,alpha-synuclein,lipid membranes,physical chemistry,fysikalisk kemi},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Effect of Ganglioside GM3 on the Mobility and Mesostructure of Lipid and α-Synuclein Co-assemblies: A Combined Polarization Transfer Solid-State NMR and Scattering Study},
  year         = {2018},
}