The roles of α-synuclein in biomolecular condensates implicated in neuronal physiology and disease

Abstract

Eukaryotic cells employ membrane-bound compartments to spatially organize their internal components. However, the recent discovery of biomolecular condensates, liquid-like structures not limited by a membrane, has emerged as a novel mechanism for cellular organization. These condensates often assemble by liquid-liquid phase separation (LLPS), a phenomenon in which an initially homogeneous liquid mixture spontaneously separates into two (or more) distinct liquid phases. LLPS is emerging as an important principle for understanding the organization and dynamics at the synapse and cellular pathology in neurodegeneration. For instance, synaptic vesicle (SV) clusters are shown to assemble via condensation of synapsins, a highly abundant family of synaptic phosphoproteins, and SVs. This thesis investigates the roles of α-synuclein, a protein involved in the SV cycle and implicated in the pathology of Parkinson's disease (PD), in modulating biomolecular condensates and their interplay with membrane-bound organelles. The first part of the thesis examines the contribution of α-synuclein to maintaining SV clusters. α-Synuclein enriches the liquid phase of SVs/synapsin, preserving their biophysical properties while maintaining high mobility. The results show that the presence of SVs enhances the condensation rate between synapsin and α-synuclein, indicating that SVs act as catalysts for synapsin condensate formation. Importantly, α-synuclein alone is unable to cluster isolated SVs under physiological conditions, emphasizing the importance of the synapsin/α-synuclein molar ratio in assembling functional and physiological condensates. The second part of the thesis focuses on understanding the aberrant LLPS process that leads to the formation of α- synuclein-containing protein aggregates, specifically Lewy bodies (LBs). LBs are associated with synucleinopathies like PD. By employing a minimal system comprising α-synuclein and synphilin 1, another protein implicated in PD, LB-like structures (LBLs) are recapitulated. Remarkably, synphilin 1 can independently form fluid condensates, while α-synuclein envelops these condensates, forming a core-shell structure resembling LBs. Additionally, LBLs disrupt the fibrillar actin network and accumulate membrane-bound organelles, leading to mitochondrial collapse and their accumulation at the interface of the aggregates. These observations highlight the connection between α-synuclein-driven aberrant phase separation and the formation of membrane-containing inclusions. Together, this thesis contributes to our understanding of the intricate dynamics and functional consequences of biomolecular condensates, specifically focusing on the role of α-synuclein in modulating their formation and interplay with membrane-bound organelles. The findings presented here deepen our understanding of the molecular mechanisms underlying neurodegenerative disorders, particularly PD, and pave the way for future research aimed at developing therapeutic interventions targeting these aberrant processes.

Zellen verwenden membranbegrenzte Kompartimente, um ihre internen Bestandteile räumlich zu organisieren. Allerdings hat sich die jüngste Entdeckung von biomolekularen Kondensaten, flüssigkeitsartigen Strukturen, die nicht durch eine Membran begrenzt sind, als ein neuer Mechanismus für die zelluläre Organisation herausgestellt. Diese Kondensate bilden sich oft durch Flüssig-Flüssig-Phasentrennung (LLPS), ein Phänomen, bei dem eine zunächst homogene Flüssigkeitsmischung spontan in zwei (oder mehr) unterschiedliche Flüssigkeitsphasen aufgeteilt wird. LLPS gewinnt als wichtiges Prinzip an Bedeutung für das Verständnis der Organisation und Dynamik an der Synapse sowie der zellulären Pathologie bei neurodegenerativen Erkrankungen. Beispielsweise wurde gezeigt, dass sich synaptische Vesikel (SV) durch Kondensation von Synapsinen, einer hochabundanten Familie von synaptischen Phosphoproteinen, und SVs zu Clustern zusammensetzen. Diese Dissertation untersucht die Rolle von α-Synuclein, einem Protein, das am SV-Zyklus beteiligt ist und mit der Pathologie der Parkinson-Krankheit (PD) in Verbindung gebracht wird, bei der Modulation von biomolekularen Kondensaten und deren Zusammenspiel mit membranbegrenzten Organellen. Der erste Teil der Dissertation untersucht den Beitrag von α-Synuclein zur Aufrechterhaltung von SV-Clustern. α-Synuclein bereichert die Flüssigphase von SVs/Synapsin und bewahrt ihre biophysikalischen Eigenschaften bei gleichzeitig hoher Mobilität. Die Ergebnisse zeigen, dass das Vorhandensein von SVs die Kondensationsrate zwischen Synapsin und α-Synuclein erhöht, was darauf hinweist, dass SVs als Katalysatoren für die Bildung von Synapsin-Kondensaten fungieren. Wichtig ist, dass α-Synuclein allein unter physiologischen Bedingungen nicht in der Lage ist, isolierte SVs zu clustern, was die Bedeutung des Synapsin/ α-Synuclein-Molverhältnisses bei der Bildung funktionaler und physiologischer Kondensate unterstreicht. Der zweite Teil der Dissertation konzentriert sich auf das Verständnis des fehlerhaften LLPS-Prozesses, der zur Bildung von a-Synuclein-haltigen Proteinaggregaten, speziell Lewy-Körperchen (LB), führt. LBs werden mit Synukleinopathien wie PD in Verbindung gebracht. Durch den Einsatz eines minimalen Systems, bestehend aus α-Synuclein und Synphilin 1, einem weiteren Protein, das mit PD in Verbindung gebracht wird, werden LB-ähnliche Strukturen (LBL) nachgebildet. Bemerkenswerterweise können Synphilin 1 unabhängig flüssige Kondensate bilden, während α-Synuclein diese Kondensate umhüllt und eine Kern-Hülle- Struktur bildet, die LBs ähnelt. Darüber hinaus stören LBLs das faserige Aktinnetzwerk und akkumulieren membranbegrenzte Organellen, was zu einem Zusammenbruch der Mitochondrien führt und zu ihrer Anreicherung an der Grenzfläche der Aggregate. Diese Beobachtungen verdeutlichen den Zusammenhang zwischen einer von α-Synuclein angetriebenen fehlerhaften Phasentrennung und der Bildung von membranhaltigen Einschlüssen. Insgesamt trägt diese Dissertation zu unserem Verständnis der komplexen Dynamik und funktionalen Konsequenzen von biomolekularen Kondensaten bei und konzentriert sich dabei speziell auf die Rolle von α-Synuclein bei ihrer Bildung und ihrem Zusammenspiel mit membranbegrenzten Organellen. Die hier vorgestellten Ergebnisse vertiefen unser Verständnis der molekularen Mechanismen, die neurodegenerative Erkrankungen, insbesondere PD, zugrunde liegen, und bahnen den Weg für zukünftige Forschung zur Entwicklung therapeutischer Interventionen, die diese fehlerhaften Prozesse zum Ziel haben.