Self-assembly is a process through which small building blocks spontaneously form ordered structures. In nature, self-assembly is one of major routes for organizing essential biological materials such as lipid bilayers, DNAs, proteins, and many supramolecular structures. Amyloids are self-assembled materials closely associated with various neurodegenerative diseases. Numerous studies indicate a central role of amyloidogenic proteins in the pathogenesis of neurodegenerative diseases. However, few studies have investigated the underlying mechanism of amyloid fibril formation and amyloid-mediated neuronal cell death. In this thesis study, prion fragment and β-amyloid peptides were studied as model amyloidogenic peptides using a solid surface-based self-assembly system. According to the results, the self-assembly of the peptides into amyloid fibrils was highly accelerated on the solid surface than in solution. Amyloid-like properties of fibrils self-assembled on the solid surface were confirmed by multiple analyses with circular dichroism and amyloid-specific dyes such as Congo red and thioflavin T. The fibril formation of prion peptides was substantially affected by incubation temperature and pre-formed fibrils disassembled after additional heat treatment at 100 ℃. Cellular response against β-amyloid fibrils was also explored. Neuronal cells grew atop β-amyloid fibril surfaces, creating physical contacts between the cells and the fibrils. Cell viability was differentially affected when grown atop monomeric, oligomeric, or fibrillar Aβ. The mode of cell death by Aβ fibrils was confirmed to be apoptotic rather than necrotic, implying that cells undergo suicide by just contact with Aβ fibrils. Our further observation of elevated activities of caspase-3 enzyme in the cells grown in contact with Aβ fibrils indicated the occurrence of apoptosis through a caspase-3 dependent way.
자기조립이란 작은 빌딩블록(building block)들이 자발적으로 정렬된 구조를 형성하는 현상을 말한다. 이는 필수 생체 물질들의 주요 형성 방법 중 하나로, 세포 내에서는 지질 이중막, DNA, 단백질, 초분자 구조체 등이 분자들의 자기조립을 통해 형성된다. 아밀로이드 역시 생체 내에서 발견되는 자기조립 물질로, 퇴행성 신경질환과의 관련성 때문에 주목을 받고 있다. 그 동안 퇴행성 신경질환의 발병에 대한 아밀로이드 단백질의 역할을 규명하기 위해 많은 연구들이 진행되었으나, 아밀로이드 섬유 형성 및 이에 의한 신경세포사멸의 정확한 메커니즘은 아직 밝혀지지 않은 실정이다. 본 연구에서는 모델 펩타이드로 프리온 펩타이드(prion peptide)와 베타-아밀로이드 펩타이드(β-amyloid peptide)를 선정, 고체 표면에서 일어나는 이들의 자기조립 현상을 연구하였다. 본 연구의 결과에 따르면, 펩타이드들의 자기조립 현상은 용액상과 비교했을 때 고체 표면상에서 매우 촉진되었다. 또한 원편광 이색성 분광(circular dichroism, CD) 및 아밀로이드 특이적 염색물질을 이용하여 자기조립을 통해 형성된 펩타이드 섬유의 아밀로이드적 성질을 확인하였다. 아밀로이드 섬유의 형성은 인큐베이션 온도에 큰 영향을 받았으며, 기형성된 아밀로이드 섬유는 100 ℃의 추가적인 열처리에서 분해되는 것으로 나타났다. 나아가, 본 연구에서는 베타-아밀로이드 펩타이드로 형성된 아밀로이드 섬유에 대한 신경 세포의 반응을 관찰하였다. 아밀로이드 섬유 위에 배양된 신경세포는 섬유와 물리적인 접촉을 가지게 되는데, 이러한 접촉에 의해 그 활성이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 아밀로이드 섬유에 의한 세포 사멸은 apoptosis로 나타났으며, apoptosis에 관여하는 caspase-3 효소의 활성 역시 아밀로이드 섬유와의 접촉에 의해 증가하였다. 본 연구에 따르면, 고체 표면상에서의 아밀로이드 섬유 형성은 용액상에서의 형성에 비해 효과적인 것으로 나타났으며, 이러한 고체 기반 아밀로이드 형성 방식은 향후 퇴행성 신경질환 치료제 등의 고효율 분석에 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
