Cellular fates and secretion ofAlzheimer’s disease-related proteins APP and tau

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6723-1
Title: Cellular fates and secretion ofAlzheimer’s disease-related proteins APP and tau
Author: Merezhko, Maria
Other contributor: Helsingin yliopisto, bio- ja ympäristötieteellinen tiedekunta
Helsingfors universitet, bio- och miljövetenskapliga fakulteten
University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences
Biolääketieteellinen tohtoriohjelma
Doktorandprogrammet i biomedicin
Doctoral Programme in Biomedicine
University of Helsinki, Neuroscience center, HiLife
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-10-29
Language: en
Belongs to series: Dissertationes Scholae Doctoralis Ad Sanitatem Investigandam Universitatis Helsinkiensis’ - URN:ISSN:2342-317X
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6723-1
http://hdl.handle.net/10138/319930
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Neurodegenerative disorders are progressive, age-dependent, devastating conditions with only symptomatic treatment available. The progressive accumulation and spread of misfolded proteins in the nervous system is the common attribute of multiple neurodegenerative diseases. In Alzheimer’s disease (AD), two types of aggregates accumulate and spread through the brain: extracellular amyloid plaques composed of β-amyloid peptide and intracellular neurofibrillary tangles composed of hyperphosphorylated tau protein. β-amyloid peptide originates from the pathological processing of amyloid precursor protein (APP). APP processing is susceptible to various stimuli and controlled by multiple proteins and interactions with lipids. The regulation of APP processing, however, is not fully understood. Tau is one of the major microtubule-associated proteins in neurons. In AD and other tauopathies, however, tau becomes hyperphosphorylated, detaches from microtubules, and first forms small soluble oligomers and then larger, insoluble aggregates. Like several other neurodegeneration-related proteins, pathological tau spreads through the brain via cell-to-cell transmission, which involves secretion and internalization stages, and can initiate templated misfolding of normal tau in recipient cells. Unfortunately, the mechanisms of cell-to-cell transfer and templated misfolding of tau are rather elusive. The aim of this thesis is to (1) develop novel assays to advance the understanding of the regulation of processing and trafficking of neurodegenerative-related proteins and (2) investigate the molecular mechanisms of tau secretion. In this thesis, two novel in vitro live-cell assays were developed based on protein-fragment complementation to study APP, tau, and other neurodegeneration-associated proteins. The first assay can generate multiple readouts, reflecting cellular fates of APP: total cellular APP level, total secreted sAPP level in the media, APP-BACE1 interaction in cells, and in culture media. The second assay can monitor protein localization to dynamic nanoscale cholesterol/sphingomyelin-rich microdomains at the plasma membrane, usually called lipid rafts. This assay may be beneficial for neurodegenerative disease research, as many misfolded proteins associate with lipid rafts, including APP and tau. Additionally, this thesis addressed the molecular mechanisms of tau secretion. In N2A cells overexpressing human tau as well as in primary neurons, tau secretion to the extracellular space was shown to occur via an unconventional, vesicle-free mechanism. Imaging studies have revealed that tau clusters at the plasma membrane in the discrete microdomains and does not localize to membranous intracellular organelles. Instead, tau secretion depended on the lipid composition of the plasma membrane, particularly on lipid-organizing lipid rafts, such as cholesterol and sphingolipids. Tau secretion was also shown to depend on its oligomerization state and heparan sulfate proteoglycans at the cell surface. The data collectively suggest that tau secretion happens via translocation through the plasma membrane, which likely occurs in lipid rafts. In summary, the studies included in this thesis provide both methodological and conceptual insights in the field of neurodegeneration.Ikääntymiseen liittyvät hermorappeumasairaudet ovat kroonisia eteneviä sairauksia, joihin on saatavilla vain oireita lievittäviä hoitoja. Tyypillistä näille sairauksille on hitaasti etenevä neuropatologia, johon liittyy väärin laskostuneiden proteiinien sakkakertymät aivoissa. Alzheimerin taudissa aivoihin kertyy kahden tyyppisiä proteiinisakkoja: pääosin solunulkoisesta tilasta löytyviä β-amyloidipeptidistä koostuvia amyloidiplakkeja sekä pääosin hermosolujen sisäisiä, Tau-proteiinista koostuvia hermosäiekimppuja. β-amyloidipeptidiä syntyy, kun solut pilkkovat suurempaa APP-esiasteproteiinia. Tämä prosessi on herkkä erilaisille muutoksille solussa ja sitä säätelevät lukuisat eri proteiinit ja rasva-aineet. APP:n pilkkomismekanismi patologiseksi β-amyloidipeptidiksi tunnetaan vielä puutteellisesti. Alzheimerin taudissa ja muissa tauopatioiksi kutsuissa sairauksissa Tau-proteiini irtoaa solutukirangan mikrotubuleista hyperfosforyloitumisen seurauksena, johtaen pienten Tau-oligomeerien kautta laajempien liukenemattomien proteiinisakkojen muodostumiseen. Patologiset Tau-proteiinin muodot kykenevät siirtymään aivoissa yhdestä sairastuneesta solusta toiseen levittäen Tau-patologiaa uusille aivoalueille sairauden edetessä. Nämä patologisen Tau-proteiinin leviämismekanismit tunnetaan vielä puutteellisesti ja ovat viime vuosina olleet laajan mielenkiinnon kohteena. Tämän väitöskirjatyön tavoitteet olivat: (1) kehittää uusia menetelmiä hermorappeumasairauksissa sakkaantuvien proteiinien prosessointiin ja solunsisäiseen kuljetukseen liittyen, ja (2) tutkia molekyylitason mekanismeja jotka säätelevät Taun proteiinin eritystä soluista. Väitöskirjatyössä kehitettiin kaksi uutta proteiinifragmenttikomplementaatioon perustuvaa solupohjaista testimenetelmää APP:n ja Taun tutkimukseen. Ensimmäisessä menetelmässä seurataan neljää eri päätemuuttujaa jotka liityvät APP:n kuljetukseen ja prosessointiin solussa. Nämä päätemuuttujat ovat APP:n kokonaismäärä solussa, eritetty APP:n solunulkoinen fragmentti ja APP:n vuorovaikutus β-amyloidipeptidin tuotannon kannalta keskeisen BACE1-entsyymin kanssa sekä soluissa että elatusaineessa. Toinen menetelmä mittaa elävissä soluissa tutkittavan proteiinin lokalisaatiota solukalvon pieniin dynaamisiin kolesteroli/sfingomyeliini-rikkaisiin lipidilauttoihin. Tällä menetelmällä on lukuisia käyttösovelluksia koska monet esimerkiksi hermorappeumasairauksissa keskeiset valkuaisaineet kuten APP ja Tau ovat vuorovaikutuksessa lipidilauttojen kanssa. Lisäksi väitöskirjatyössä tuotettiin uutta tutkimustietoa Taun eritysmekanismeihin liittyen. Erilaisia soluviljelymenetelmiä käyttäen osoitettiin, että Taun eritys soluista solunulkoiseen tilaan tapahtuu epätyypillisen vesikkelivapaan mekanismin välityksellä. Erilaisia kuvantamismenetelmiä käyttäen Tau-proteiiniryppäitä havaittiin solukalvon välittömässä läheisyydessä mutta ei juurikaan solunsisäisissä vesikkelirakenteissa tai soluelimissä. Solukalvon rasva-ainekoostumus vaikutti merkittävästi Taun eritykseen siten, että erityisesti lipidilauttoihin rikastuvat kolesteroli ja sfingomyeliini olivat keskeisessä asemassa Taun erityksen kannalta. Myös Taun oligomerisaatioaste ja solun pinnalla sijaitsevat heparaanisulfaattiproteoglykaanit vaikuttivat Taun eritykseen. Näihin havaintoihin perustuen näyttäisi siltä, että Tau erittyy solusta läpäisemällä solukalvon suoraan, mahdollisesti lipidilauttojen välityksellä. Yhteenvetona tämä väitöskirjatyö tuotti sekä uusia menetelmiä että tieteellisiä konsepteja hermorappeumasairauksien solu- ja molekyylitason mekanismien tutkimukseen.
Subject: neuroscience
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
merezhko_maria_dissertation_2020.pdf 5.802Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record