Influence of molecular interactions on the mechanical properties of amyloid oligomers

Abstract

The aggregation of β-amyloid (Aβ) monomers has been known for a main cause of the pathogenesis of Alzheimer’s disease. Among Aβ aggregates, oligomers having the size of a few nanometers are highly toxic to neuron, and thus their formation and characterization have been subjected to intensive studies. In chapter I, a new application of lysosensor DND-189 as an amyloid aggregation probe is decided. The average fluorescence lifetime of DND-189 increases from 1.16 ns in buffer to 4.64 ns in Aβ oligomers. The lifetime increase is due to the polarity decrease and rigid environment in oligomers. DND-189 can be effectively used for fluorescence lifetime imaging microscopy and an amyloid oligomer assay to find new aggregation inhibitors for Alzheimer’s disease therapeutics. In chapter II, the formation of Aβ oligomers in the presence of various polyamines by atomic force microscopy (AFM) was studied. It was observed that the aggregation processes of Aβ oligomers interacting with polyamines were strongly affected by their molecular structures, which may provide a clue to understand Aβ aggregation mechanism at the molecular level. This result also shows that AFM-based assay can be used as an effective means for drug screening in Alzheimer’s disease therapeutics. The elastic modulus is an important physical property of soft matter, but it is often difficult to attain experimentally. In chapter III, the elastic modulus of β-amyloid (Aβ) oligomers and fibrils were obtained by atomic force microscopy (AFM) indentation. Aβ aggregates were stained with 9-dicyanovinyljulolidine (DCVJ), a rigidity-probing dye, and the fluorescence lifetime distributions were also independently measured by fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM). These results indicate that FLIM is a good method for the elastic modulus mapping of soft matter. ;베타 아밀로이드 펩타이드(Aβ)의 응집체는 알츠하이머 병의 주요 원인 인자로 알려져왔다. Aβ 응집체 중 특히 몇 나노미터의 크기를 가지는 올리고머가 신경 세포에 주는 독성이 크다고 알려지면서 Aβ 올리고머의 형성과정과 생물학적 특성이 집중적으로 연구되어 왔다. 제 1장에서는 lysosensor인 DND–189를 아밀로이드 응집체의 특이적 탐지자로 사용할 수 있다는 증거를 제시하였다. DND-189의 평균 형광 수명이 HEPES버퍼에서는 1.16 ns 인 것에 비해 올리고머에서는 4.64 ns로 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 형광 수명 증가는 올리고머의 물리적 특성이 유연성을 잃고 극성이 감소했기 때문이다. 본 연구를 통해서 우리는 DND-189가 효과적으로 형광 수명 이미징 (FLIM)에 사용될 수 있으며, 알츠하이머 질병 치료에 대한 새로운 응집 억제제를 찾을 수 있는 분석에 유용하게 사용될 것으로 시사한다. 제 2장에서는 원자현미경 (AFM)을 이용해 다양한 폴리아민이 아밀로이드 펩타이드의 응집에 주는 영향을 조사하였다. 본 연구를 통해 아밀로이드 펩타이드가 폴리아민과 상호작용하여 응집하는 과정이 폴리아민의 분자 구조에 영향을 받는 것을 발견하였다. 이와 같은 결과는 분자수준에서 아밀로이드 펩타이드의 응집 메커니즘을 이해하는데 새로운 힌트를 제시한다. 또한 AFM을 기반으로 한 분석이 알츠하이머 병 치료에서 약물 검사를 하는데 효과적인 수단으로 사용될 수 있다는 것을 제시한다. 제 3장에서는 형광 수명 이미징을 이용하여 물질의 탄성 계수 이미지화를 연구하였다. 물질의 탄성계수는 부드러운 물체에서 중요한 물리적 속성 중 하나이지만 그것을 실험적으로 얻어내기는 어렵다. AFM을 이용하여 아밀로이드 올리고머와 피브릴의 탄성계수를 측정한 다음 아밀로이드 응집체들을 강성 정도를 탐지하는 염색제인 9-dicyanovinyljulolidine (DCVJ)으로 염색하여 각각의 형광 수명의 분포를 FLIM으로 측정하였다. 이와 같은 결과는 FLIM이 부드러운 물질의 탄성계수를 이미지화 하는데 매우 좋은 방법으로 사용될 수 있음을 제안하고자 한다.