Ham, Sangwoo;Kim, Hyojung;Hwang, Seojin;Kang, Hyunook;Yun, Seung Pil;Kim, Sangjune;Kim, Donghoon;Kwon, Hyun Sook;Lee, Yun-Song;Cho, MyoungLae;Shin, Heung-Mook;Choi, Heejung;Chung, Ka Young;Ko, Han Seok;Lee, Gum Hwa;Lee, Yunjong
Molecules and Cells
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v.42
no.6
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pp.480-494
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2019
Aggregates of disease-causing proteins dysregulate cellular functions, thereby causing neuronal cell loss in diverse neurodegenerative diseases. Although many in vitro or in vivo studies of protein aggregate inhibitors have been performed, a therapeutic strategy to control aggregate toxicity has not been earnestly pursued, partly due to the limitations of available aggregate models. In this study, we established a tetracycline (Tet)-inducible nuclear aggregate (${\beta}23$) expression model to screen potential lead compounds inhibiting ${\beta}23$-induced toxicity. High-throughput screening identified several natural compounds as nuclear ${\beta}23$ inhibitors, including peucedanocoumarin III (PCIII). Interestingly, PCIII accelerates disaggregation and proteasomal clearance of both nuclear and cytosolic ${\beta}23$ aggregates and protects SH-SY5Y cells from toxicity induced by ${\beta}23$ expression. Of translational relevance, PCIII disassembled fibrils and enhanced clearance of cytosolic and nuclear protein aggregates in cellular models of huntingtin and ${\alpha}$-synuclein aggregation. Moreover, cellular toxicity was diminished with PCIII treatment for polyglutamine (PolyQ)-huntingtin expression and ${\alpha}$-synuclein expression in conjunction with 6-hydroxydopamine (6-OHDA) treatment. Importantly, PCIII not only inhibited ${\alpha}$-synuclein aggregation but also disaggregated preformed ${\alpha}$-synuclein fibrils in vitro. Taken together, our results suggest that a Tet-Off ${\beta}23$ cell model could serve as a robust platform for screening effective lead compounds inhibiting nuclear or cytosolic protein aggregates. Brain-permeable PCIII or its derivatives could be beneficial for eliminating established protein aggregates.
Park, Ji-Min;Ho, Dong-Hwan;Yun, Hye Jin;Kim, Hye-Jung;Lee, Chan Hong;Park, Sung Woo;Kim, Young Hoon;Son, Ilhong;Seol, Wongi
BMB Reports
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v.46
no.9
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pp.454-459
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2013
LRRK2 (leucine-rich repeat kinase 2) has been identified as a gene corresponding to PARK8, an autosomal-dominant gene for familial Parkinson's disease (PD). LRRK2 pathogenic-specific mutants induce neurotoxicity and shorten neurites. To elucidate the mechanism underlying LRRK2 expression, we constructed the LRRK2-promoter-luciferase reporter and used it for promoter analysis. We found that the glucocorticoid receptor (GR) transactivated LRRK2 in a ligand-dependent manner. Using quantitative RT-PCR and Western analysis, we further showed that treatment with dexamethasone, a synthetic GR ligand, induced LRRK2 expression at both the transcriptional and translational levels, in dopaminergic MN9D cells. Dexamethasone treatment also increased expression of ${\alpha}$-synuclein, another PD causative gene, and enhanced transactivation of the ${\alpha}$-synuclein promoter-luciferase reporter. In addition, dexamethasone treatment to MN9D cells weakly induced cytotoxicity based on an LDH assay. Because glucocorticoid hormones are secreted in response to stress, our data suggest that stress might be a related factor in the pathogenesis of PD.
KIPS Transactions on Software and Data Engineering
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v.3
no.10
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pp.421-428
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2014
Like Alzheimer's disease, Parkinson's Disease(PD) is one of the most common neurodegenerative brain disorders. PD results from the deterioration of dopaminergic neurons in the brain region called the substantia nigra. Currently there is no cure for PD, but diagnosing in its early stage is important to provide treatments for relieving the symptoms and maintaining quality of life. Unlike many diagnosis methods of PD which use a single biomarker, we developed a diagnosis method that uses both biochemical biomarkers and imaging biomarkers. Our method uses ${\alpha}$-synuclein protein levels in the cerebrospinal fluid and diffusion tensor images(DTI). It achieved an accuracy over 91.3% in the 10-fold cross validation, and the best accuracy of 72% in an independent testing, which suggests a possibility for early detection of PD. We also analyzed the characteristics of the brain fiber pathways of Parkinson's disease patients and normal elderly people.
Parkinson's disease (PD) is one of the most common neurodegenerative diseases in the elderly population and is caused by the loss of dopaminergic neurons. PD has been predominantly attributed to mitochondrial dysfunction. The structural alteration of α-synuclein triggers toxic oligomer formation in the neurons, which greatly contributes to PD. In this article, we discuss the role of several familial PD-related proteins, such as α-synuclein, DJ-1, LRRK2, PINK1, and parkin in mitophagy, which entails a selective degradation of mitochondria via autophagy. Defective changes in mitochondrial dynamics and their biochemical and functional interaction induce the formation of toxic α-synuclein-containing protein aggregates in PD. In addition, these gene products play an essential role in ubiquitin proteasome system (UPS)-mediated proteolysis as well as mitophagy. Interestingly, a few deubiquitinating enzymes (DUBs) additionally modulate these two pathways negatively or positively. Based on these findings, we summarize the close relationship between several DUBs and the precise modulation of mitophagy. For example, the USP8, USP10, and USP15, among many DUBs are reported to specifically regulate the K48- or K63-linked de-ubiquitination reactions of several target proteins associated with the mitophagic process, in turn upregulating the mitophagy and protecting neuronal cells from α-synuclein-derived toxicity. In contrast, USP30 inhibits mitophagy by opposing parkin-mediated ubiquitination of target proteins. Furthermore, the association between these changes and PD pathogenesis will be discussed. Taken together, although the functional roles of several PD-related genes have yet to be fully understood, they are substantially associated with mitochondrial quality control as well as UPS. Therefore, a better understanding of their relationship provides valuable therapeutic clues for appropriate management strategies.
[ ${\alpha}$ ]synuclein (${\alpha}$-syn) is implicated in the pathogenesis of Parkinson's disease (PD) and other related diseases. We have previously reported that ${\alpha}$-syn binds to the cell membranes in a transient and reversible manner. However, little is known about the physiologic function and/or consequence of this association. Here, we examined whether chemically induced perturbations to the cellular membranes enhance the binding of ${\alpha}$-syn, based on hypothesis that ${\alpha}$-syn may play a role in maintenance of membrane integrity or repair. We induced membrane perturbations or alterations in ${\alpha}$-syn-overexpressing human neuroblastoma cells (SH-SY5Y) by treating the cells with hydrogen peroxide ($H_2O_2$) or oleic acid. In addition, membranes fractionated from these cells were perturbed by treating them with proteinase K or chloroform. Dynamic interaction of ${\alpha}$-syn to the membranes was analyzed by the chemical cross-linking assay that we developed in the previous study. We found that membrane interaction of ${\alpha}$-syn was increased upon treatment with membrane-perturbing reagents in a dose and time dependent manner. These results suggest that perturbations in the cellular membranes cause increased binding of ${\alpha}$-syn, and this may have significant implication in the physiological function of ${\alpha}$-syn in cells.
Kim, Yoon Suk;Kim, Jeonghan;Yi, Chi A;Ko, Jesang;Park, Yong Serk;Lee, Seung-Jae
Biomedical Science Letters
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v.18
no.4
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pp.329-337
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2012
${\alpha}$-synuclein (${\alpha}$-syn) is known to be implicated in the pathogenesis of Parkinson's disease and transiently bind to biological vesicles. In this study, we examined the effect of molecular crowding on the interaction of ${\alpha}$-syn with biological vesicles by using inert polymers since the environment of proteins in cells are crowded with other macromolecules. The addition of different polymers including polyethylene glycol, dextran, and ficoll enhanced the binding of ${\alpha}$-syn to vesicles in a concentration-dependent manner and the association of ${\alpha}$-syn with vesicle was proportionally augmented by increased expression of ${\alpha}$-syn. However, molecular crowding had a neglectable effect on the vesicle binding of ${\alpha}$-syn mutants (A30P, TG6), which has been reported to show impaired vesicle binding capacity. These results suggest that transient interaction of ${\alpha}$-syn with vesicles occurs more commonly in cells than expected implying interaction with vesicles may be one of the physiological processes in which ${\alpha}$-syn is involved.
Together with neuronal loss, the existence of insoluble inclusions of alpha-synuclein (α-syn) in the brain is widely accepted as a hallmark of synucleinopathies including Parkinson's disease (PD), multiple system atrophy, and dementia with Lewy body. Because the α-syn aggregates are deeply involved in the pathogenesis, there have been many attempts to demonstrate the mechanism of the aggregation and its potential causative factors including post-translational modifications (PTMs). Although no concrete conclusions have been made based on the previous study results, growing evidence suggests that modifications such as phosphorylation and ubiquitination can alter α-syn characteristics to have certain effects on the aggregation process in PD; either facilitating or inhibiting fibrillization. In the present work, we reviewed studies showing the significant impacts of PTMs on α-syn aggregation. Furthermore, the PTMs modulating α-syn aggregation-induced cell death have been discussed.
Yoo, Gyeongji;An, Hyeong Jeon;Yeou, Sanghun;Lee, Nam Ki
Molecules and Cells
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v.45
no.11
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pp.806-819
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2022
Synaptic accumulation of α-synuclein (α-Syn) oligomers and their interactions with VAMP2 have been reported to be the basis of synaptic dysfunction in Parkinson's disease (PD). α-Syn mutants associated with familial PD have also been known to be capable of interacting with VAMP2, but the exact mechanisms resulting from those interactions to eventual synaptic dysfunction are still unclear. Here, we investigate the effect of α-Syn mutant oligomers comprising A30P, E46K, and A53T on VAMP2-embedded vesicles. Specifically, A30P and A53T oligomers cluster vesicles in the presence of VAMP2, which is a shared mechanism with wild type α-Syn oligomers induced by dopamine. On the other hand, E46K oligomers reduce the membrane mobility of the planar bilayers, as revealed by single-particle tracking, and permeabilize the membranes in the presence of VAMP2. In the absence of VAMP2 interactions, E46K oligomers enlarge vesicles by fusing with one another. Our results clearly demonstrate that α-Syn mutant oligomers have aberrant effects on VAMP2-embedded vesicles and the disruption types are distinct depending on the mutant types. This work may provide one of the possible clues to explain the α-Syn mutant-type dependent pathological heterogeneity of familial PD.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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