Myelin proteins from the peripheral nervous system : Structures and interactions with lipid membrane

Abstract

Saltare (å hoppe) beskriver den grunnleggende funksjonen myelin har i nervesystemet. Myelin er en flerlaget fettmembran som omslutter nervecellenes aksoner og effektiviserer signalformidlingen betraktelig ved å øke hastigheten til nerveimpulser. Myelinisering, hovedsakelig utført av oligodendrocytter i sentralnervesystemet og Schwann-celler i det perifere nervesystemet, er avgjørende for å opprettholde et friskt og funksjonelt nervesystem. Sykdommer som multippel sklerose, Charcot-Marie- Tooth og leukodystrofier understreker viktigheten av myelins oppgave, ettersom demyelinsering og dysmyelinisering fører til betydelig nevrologiske svekkelser. Å forstå strukturen til myelin, dens funksjon og patologi er avgjørende for å utvikle terapeutiske strategier for å lindre effekten av demyeliniserende sykdommer.

Myelin består hovedsakelig av lipider, omtrent 70 % av tørrvekten er lipider, mens de resterende 30 % består av proteiner. Den spiralformede strukturen består av vekslende lag av lipidlag og spesifikke myelinproteiner, noe som skaper en tettpakket og svært isolerende struktur. Tre myelinspesifikke proteiner, MBP, P0 og P2, spiller en sentral rolle i utviklingen og bevaringen av myelin. Mutasjoner eller dysfunksjon i disse proteinene er assosiert med kroniske nevrologiske lidelser som påvirker deres funksjon i den kompakte stablingen av membraner. P2 er det eneste myelinproteinet som har blitt krystallisert, mens proteinstrukturene til MBP og P0 fortsatt ikke helt avdekket.

I arbeidet med denne avhandlingen avhandlingen ble det brukt en tverrfaglig tilnærming bestående av biofysiske metoder, beregningsverktøy og det kunstige intelligenssystemet AlphaFold2 for å studere de strukturelle egenskapene, lipidinteraksjonene og evnen P0, MBP og P2 har til å stable lipidmembraner. P0 og MBP er i seg selv uordnede proteiner, og derfor er de fortsatt strukturelt utfordrende. Ved å bruke AlphaFold2 i kombinasjon med eksperimentelle data kan foldede konformasjoner av MBP og det cytoplasmatiske domenet til P0 (P0ct) muligens avdekkes, og interaksjonssteder og effekten av mutasjoner eller proteinmodifikasjoner kan avsløres. Bruken av to stabile modeller for myelinmembraner, liposomer og biceller, viste at ved å endre modell kan man oppnå ny innsikt i funksjonene til myelinproteiner og hvordan disse proteinene kan forandre membranegenskapene. Det ble observert at P0ct interagerer med lipider på en konsentrasjonsavhengig måte, noe som påvirker membranmorfologien og lipidenes ordnede atferd. Siden P0ct, MBP og P2 befinner seg i det samme området i periferisk myelin, ble de samme metodene brukt til å undersøke synergistiske eller konkurrerende effekter mellom de tre proteinene. Sammen endret de synergistisk overgangen mellom gel og væskefasen til modellsystemene, og induserte ikke-lamellære flytende krystaller.

Oppsummert bidrar denne studien til forståelsen av myelin og baner vei for nye metoder for å undersøke myelinproteiner under fysiologisk mer relevante sammensetninger og forhold.

Saltare (to jump) appropriately describes the fundamental role of the myelin sheath in the nervous system. This multilayered lipid-rich covering envelops the axons of neurons, significantly enhancing the speed and efficiency of electrical signal transmission. Myelination, predominantly carried out by oligodendrocytes in the central nervous system and Schwann cells in the peripheral nervous system is crucial for maintaining neuronal health and function. Disorders of the myelin sheath, such as multiple sclerosis, Charcot-Marie-Tooth disease, and leukodystrophies, underscore its importance, as demyelination and dysmyelination lead to significant neurological impairments. Understanding the structure of the myelin sheath, function, and pathology is vital for developing therapeutic strategies to relieve the effects of demyelinating diseases.

The composition of myelin is primarily lipids, roughly 70% of its dry weight, with the remaining 30% of proteins. Its coiled structure involves alternating layers of lipid bilayers and specific myelin proteins, creating a tightly packed, highly insulative structure. Three myelin-specific proteins, the myelin basic protein (MBP), myelin protein zero (P0), and the peripheral myelin protein 2 (P2), have central roles in myelin development and preservation. Mutations or dysfunction in these proteins are associated with chronic neurological disorders affecting their function in compactly stacking membranes. Notably, P2 is the only myelin protein whose structure has been crystallized, while the structures of MBP and P0 still need to be better understood.

In this thesis, a multidisciplinary approach was used to study the structural characteristics, lipid interactions, and stacking properties of P0, MBP, and P2, utilizing biophysical methods, computational tools, and the artificial intelligence system AlphaFold2. Having instrinsically disordered domains, the structural characterization of P0 and MBP remains challenging. Using AlphaFold2 in combination with experimental data could possibly uncover folded conformations of MBP and the cytoplasmic domain of P0 (P0ct), denoting interaction sites and interferences from mutations or protein modifications. Two stable myelin membrane mimetic models, liposomes and bicelles, were employed, displaying that the altered shape of the lipid membrane can aid in achieving new insights into myelin protein function and how these proteins can alter membrane properties. Indeed, P0ct was observed to interact with lipids in a concentration-dependent manner, which affects membrane morphology and lipid phase behavior. Furthermore, since P0ct, MBP, and P2 reside within the same close space of the major dense line in the peripheral nervous system, the same workflow was used to investigate synergistic or competitive effects between the three proteins. The three proteins synergistically altered the lipids phase transition of model lipids and induced non-lamellar liquid crystals.

In summary, this study contributes to the understanding of the myelin sheaths and paves the way for novel approaches in investigating myelin proteins under physiologically more relevant compositions and conditions.