Альфа-синуклеин: структура, функции и роль в нейродегенеративных заболеваниях.

Введение

Белок, обнаруженный у человека. Альфа-синуклеин (aSyn) – это белок, кодируемый геном SNCA у людей. Альфа-синуклеин является нейронным белком, регулирующим транспорт синаптических везикул и последующее высвобождение нейротрансмиттеров. Он в большом количестве содержится в мозге, в то время как меньшие количества обнаруживаются в сердце, мышцах и других тканях. В мозге альфа-синуклеин в основном находится в аксонных терминалях пресинаптических нейронов. Пресинаптические терминалы высвобождают химические посредники, называемые нейротрансмиттерами, из компартментов, известных как синаптические везикулы. Высвобождение нейротрансмиттеров передает сигналы между нейронами и критически важно для нормальной функции мозга. Семейная болезнь Паркинсона связана с мутациями в гене синуклеина (SNCA). В процессе зародышевой нуклеации альфа-синуклеин приобретает структуру перекрестного β-листа, аналогичную другим амилоидам. Белок альфа-синуклеина человека состоит из 140 аминокислот. Фрагмент альфа-синуклеина, известный как не-амилоидный β-компонент (не-Aβ) амилоида болезни Альцгеймера, первоначально обнаруженный в фракции, обогащенной амилоидом, был показан как фрагмент его предшественника, белка NACP.

Экспрессия тканей

Альфа-синуклеин – это белок синуклеина, преимущественно содержащийся в нервной ткани и составляющий до одного процента всех белков в цитозоле клеток мозга. В меланоцитах экспрессия белка SNCA может регулироваться микрофтальмосопутствующим фактором транскрипции (MITF). Установлено, что альфа-синуклеин широко локализуется в ядре нейронов мозга млекопитающих, что указывает на его роль в ядре. Однако синуклеин в основном обнаруживается в пресинаптических терминах, как в свободной, так и в мембранно-связанной форме, при этом примерно 15% синуклеина связано с мембраной в нейронах в любой момент времени. Также показано, что альфа-синуклеин локализуется в нейронных митохондриях. Альфа-синуклеин высоко экспрессируется в митохондриях обонятельной луковицы, гиппокампа, стриатума и таламуса, где также богат цитозольный альфа-синуклеин. Однако корой головного мозга и мозжечок являются двумя исключениями, содержащими большое количество цитозольного альфа-синуклеина, но очень низкий уровень митохондриального альфа-синуклеина. Показано, что альфа-синуклеин локализуется во внутренней мембране митохондрий, и что ингибирующее действие альфа-синуклеина на активность комплекса I митохондриальной дыхательной цепи зависит от дозы. Таким образом, предполагается, что альфа-синуклеин в митохондриях дифференциально экспрессируется в различных областях мозга, и фоновые уровни митохондриального альфа-синуклеина могут быть потенциальным фактором, влияющим на функцию митохондрий и предрасполагающим некоторые нейроны к дегенерации. Наиболее распространенной и изученной формой белка является полноразмерный белок из 140 аминокислот. Другими изоформами являются альфа-синуклеин 126, которому не хватает остатков 41-54 из-за потери экзона 3, и альфа-синуклеин 112, которому не хватает остатков 103-130 из-за потери экзона 5. Пока неясно, являются ли изменения микробиома, связанные с болезнью Паркинсона, следствием процесса заболевания или основной патофизиологией, или и тем, и другим. У пациентов с диагностированными различными синуклеинопатиями часто наблюдаются запоры и другие нарушения работы желудочно-кишечного тракта за годы до начала двигательных нарушений. Альфа-синуклеин потенциально связывает ось "кишечник-мозг" у пациентов с болезнью Паркинсона. Распространенная наследственная болезнь Паркинсона связана с мутациями в гене альфа-синуклеина (SNCA). В процессе индуцированной зародышевой нуклеации альфа-синуклеин приобретает структуру перекрестного бета-листа, аналогичную другим амилоидам. Как предложили Боргаммер и Ван Ден Берге (2019), одним из подходов является признание возможности существования подтипов болезни Паркинсона с различными методами распространения асинтеза, включая периферическую нервную систему (ПНС) или центральную нервную систему (ЦНС) в качестве первичного пути. Хотя желудочно-кишечный тракт связан с другими неврологическими расстройствами, такими как расстройство аутистического спектра, депрессия, тревога и болезнь Альцгеймера, агрегация белков и/или воспаление в кишечнике представляют собой новую область исследований в синуклеинопатиях. По состоянию на 2014 год, все большее количество сообщений указывает на наличие частичных структур или преимущественно структурированных олигомерных состояний в растворной структуре альфа-синуклеина даже в отсутствие липидов. Эта тенденция также подтверждается большим количеством измерений на одномолекулярном уровне (оптические пинцеты) отдельных копий мономерного альфа-синуклеина, а также ковалентно связанных димеров или тетрамеров альфа-синуклеина. Альфа-синуклеин специфически повышается в дискретной популяции пресинаптических терминалов мозга в период синаптической перестройки, связанной с приобретением опыта. Показано, что альфа-синуклеин значительно взаимодействует с тубулином и может обладать активностью потенциального белка, связанного с микротрубочками, подобно тау. Данные свидетельствуют о том, что альфа-синуклеин функционирует как молекулярный шаперон при образовании комплексов SNARE. В частности, он одновременно связывается с фосфолипидами плазменной мембраны через свой N-концевой домен и с синаптобревином 2 через свой C-концевой домен, что особенно важно во время синаптической активности. Действительно, все больше доказательств свидетельствует о вовлеченности альфа-синуклеина в функционирование нейронного аппарата Гольджи и транспорт везикул. Очевидно, что альфа-синуклеин необходим для нормального развития когнитивных функций. Мыши с нокаутом гена альфа-синуклеина демонстрируют нарушение пространственного обучения и рабочей памяти.

Alpha synuclein is a synuclein protein primarily found in neural tissue, making up as much as one percent of all proteins in the cytosol of brain cells. It is expressed highly in neurons within the frontal cortex, hippocampus, striatum, and olfactory bulb, In melanocytes, SNCA protein expression may be regulated by microphthalmia associated transcription factor (MITF). It has been established that alpha synuclein is extensively localized in the nucleus of mammalian brain neurons, suggesting a role of alpha synuclein in the nucleus. Synuclein is however found predominantly in the presynaptic termini, in both free or membrane bound forms, with roughly 15% of synuclein being membrane bound at any moment in neurons. It has also been shown that alpha synuclein is localized in neuronal mitochondria. Alpha synuclein is highly expressed in the mitochondria in olfactory bulb, hippocampus, striatum and thalamus, where the cytosolic alpha synuclein is also rich. However, the cerebral cortex and cerebellum are
two exceptions, which contain rich cytosolic alpha synuclein but very low levels of mitochondrial alpha synuclein. It has been shown that alpha synuclein is localized in the inner membrane of mitochondria, and that the inhibitory effect of alpha synuclein on complex I activity of the mitochondrial respiratory chain is dose dependent. Thus, it is suggested that alpha synuclein in mitochondria is differentially expressed in different brain regions and the background levels of mitochondrial alpha synuclein may be a potential factor affecting mitochondrial function and predisposing some neurons to degeneration. The majority form of the protein, and the one most investigated, is the full length protein of 140 amino acids. Other isoforms are alpha synuclein 126, which lacks residues 41 54 due to loss of exon 3; and alpha synuclein 112, which lacks residues 103 130 due to loss of exon 5. It is yet unknown if the microbiome changes associated with PD are consequential to the illness process or main pathophysiology, or both. Individuals diagnosed with various synucleinopathies often display constipation and other GI dysfunctions years prior to the onset of movement dysfunction. Alpha synuclein potentially connects the gut brain axis in Parkinson's disease patients. Common inherited Parkinson disease is associated with mutations in the alpha synuclein (SNCA) gene. In the process of seeded nucleation, alpha synuclein acquires a cross sheet structure similar to other amyloids. As suggested by Borghammer and Van Den Berge (2019), one approach is to recognise the possibility of PD subtypes with various aSyn propagation methods, including either a peripheral nervous system (PNS) first or a CNS first route. While the GI tract has been linked to other neurological disorders such autism spectrum disorder, depression, anxiety, and Alzheimer's disease, protein aggregation and/or inflammation in the gut represent a new topic of investigation in synucleinopathies. As of 2014, an increasing number of reports suggest, however, the presence of partial structures or mostly structured oligomeric states in the solution structure of alpha synuclein even in the absence of lipids. This trend is also supported by a large number of single molecule (optical tweezers) measurements on single copies of monomeric alpha synuclein as well as covalently enforced dimers or tetramers of alpha synuclein. Alpha synuclein is specifically upregulated in a discrete population of presynaptic terminals of the brain during a period of acquisition related synaptic rearrangement. It has been shown that alpha synuclein significantly interacts with tubulin, and that alpha synuclein may have activity as a potential microtubule associated protein, like tau. Evidence suggests that alpha synuclein functions as a molecular chaperone in the formation of SNARE complexes. In particular, it simultaneously binds to phospholipids of the plasma membrane via its N terminus domain and to synaptobrevin 2 via its C terminus domain, with increased importance during synaptic activity. Indeed, there is growing evidence that alpha synuclein is involved in the functioning of the neuronal Golgi apparatus and vesicle trafficking. Apparently, alpha synuclein is essential for normal development of the cognitive functions. Knock out mice with the targeted inactivation of the expression of alpha synuclein show impaired spatial learning and working memory.

Взаимодействие с липидными мембранами

Были собраны экспериментальные данные о взаимодействии альфа-синуклеина с мембранами и его роли в составе и обновлении мембран. Скрининг генома дрожжей выявил, что несколько генов, связанных с метаболизмом липидов и слиянием митохондрий, играют роль в токсичности альфа-синуклеина. В свою очередь, уровни экспрессии альфа-синуклеина могут влиять на вязкость и относительное содержание жирных кислот в липидном бислое. Известно, что альфа-синуклеин напрямую связывается с липидными мембранами, ассоциируясь с отрицательно заряженными поверхностями фосфолипидов. Обнаружено предпочтительное связывание с малыми везикулами. Связывание альфа-синуклеина с липидными мембранами оказывает на них сложное воздействие, изменяя структуру бислоя и приводя к образованию мелких везикул. Показано, что альфа-синуклеин искривляет мембраны везикул, состоящих из отрицательно заряженных фосфолипидов, и формирует тубулы из крупных липидных везикул. С помощью криоэлектронной микроскопии было установлено, что это мицеллярные трубки диаметром около 5-6 нм. Также было показано, что альфа-синуклеин формирует липидные диски, подобные частицам, аналогичным аполипопротеинам. Исследования с помощью ЭПР показали, что структура альфа-синуклеина зависит от поверхности связывания. Белок приобретает фрагментированную спиральную конформацию на частицах липопротеина, в то время как на липидных везикулах и мембранных трубках формирует протяженную спиральную структуру. Взаимодействие альфа-синуклеина с мембранами модулирует или влияет на скорость его агрегации. Модуляция агрегации, опосредованная мембраной, очень похожа на ту, что наблюдается для других амилоидных белков, таких как IAPP и абета. Она происходит при взаимодействии с полиненасыщенными жирными кислотами (PUFA), склонными к пероксидации, но не с мононенасыщенными жирными кислотами, а связывание переходных металлов, способствующих аутоокислению липидов, таких как железо или медь, вызывает олигомеризацию альфа-синуклеина. Агрегированный альфа-синуклеин обладает специфической активностью по отношению к пероксидированным липидам и индуцирует аутоокисление липидов в мембранах, богатых PUFA, как нейронов, так и астроцитов, снижая устойчивость к апоптозу. Аутоокисление липидов ингибируется, если клетки предварительно инкубируются с PUFA, меченными изотопами (D PUFA).

Experimental evidence has been collected on the interaction of alpha synuclein with membrane and its involvement with membrane composition and turnover. Yeast genome screening has found that several genes that deal with lipid metabolism and mitochondrial fusion play a role in alpha synuclein toxicity. Conversely, alpha synuclein expression levels can affect the viscosity and the relative amount of fatty acids in the lipid bilayer. Alpha synuclein is known to directly bind to lipid membranes, associating with the negatively charged surfaces of phospholipids. A preferential binding to small vesicles has been found. The binding of alpha synuclein to lipid membranes has complex effects on the latter, altering the bilayer structure and leading to the formation of small vesicles. Alpha synuclein has been shown to bend membranes of negatively charged phospholipid vesicles and form tubules from large lipid vesicles. Using cryo EM it was shown that these are micellar tubes of ~5 6 nm diameter. Alpha synuclein has also been shown to form lipid disc like particles similar to apolipoproteins. EPR studies have shown that the structure of alpha synuclein is dependent on the binding surface. The protein adopts a broken helical conformation on lipoprotein particles while it forms an extended helical structure on lipid vesicles and membrane tubes. Membrane interaction of alpha synuclein modulates or affects its rate of aggregation. The membrane mediated modulation of aggregation is very similar to that observed for other amyloid proteins such as IAPP and abeta. They are formed upon interaction with peroxidation prone polyunsaturated fatty acids (PUFA) but not with monounsaturated fatty acids and the binding of lipid autoxidation promoting transition metals such as iron or copper provokes oligomerization of alpha synuclein. The aggregated alpha synuclein has a specific activity for peroxidized lipids and induces lipid autoxidation in PUFA rich membranes of both neurons and astrocytes, decreasing resistance to apoptosis. Lipid autoxidation is inhibited if the cells are pre incubated with isotope reinforced PUFAs (D PUFA).

Функция

Хотя функция альфа-синуклеина до конца не выяснена, исследования показывают, что он играет роль в ограничении подвижности синаптических везикул, что приводит к снижению рециркуляции синаптических везикул и высвобождения нейротрансмиттеров. Альтернативная точка зрения заключается в том, что альфа-синуклеин связывается с VAMP2 (синаптобревином) и стабилизирует SNARE-комплексы; однако недавние исследования указывают на то, что связывание альфа-синуклеина с VAMP2 критически важно для опосредованного альфа-синуклеином снижения рециркуляции синаптических везикул, объединяя два, казалось бы, противоположных взгляда. Маркеры ответа на повреждение ДНК ко-локализуют с альфа-синуклеином, формируя дискретные фокусы в клетках человека и мозге мыши. Снижение уровня альфа-синуклеина в клетках человека приводит к увеличению числа разрывов ДНК (DSB) после воздействия блеомицина и снижению способности к восстановлению этих DSB. Кроме того, мыши с нокаутом по гену альфа-синуклеина демонстрируют более высокий уровень DSB, и эту проблему можно облегчить путем трансгенной реэкспрессии человеческого альфа-синуклеина. Альфа-синуклеин способствует пути восстановления DSB, известному как негомологичное соединение концов. Тем не менее, нормальная физиологическая роль Snca до сих пор не была полностью объяснена. Фактически, физиологический Snca оказывает нейропротекторное действие, ингибируя апоптоз, индуцированный различными апоптотическими стимулами, или регулируя экспрессию белков, участвующих в апоптотических путях. Недавно было показано, что повышение уровня альфа-синуклеина в зубчатой извилине (нейрогенной нише, где новые нейроны генерируются на протяжении всей жизни) активирует стволовые клетки в модели преждевременного старения нервной ткани. Эта модель демонстрирует снижение экспрессии альфа-синуклеина и снижение пролиферации стволовых клеток, что физиологически наблюдается в процессе старения. Экзогенный альфа-синуклеин в зубчатой извилине способен восстановить этот дефект. Более того, альфа-синуклеин также усиливает пролиферацию прогениторных нервных клеток зубчатой извилины у молодых мышей дикого типа. Таким образом, альфа-синуклеин является эффектором активации нервных стволовых и прогениторных клеток. Аналогично, было обнаружено, что альфа-синуклеин необходим для поддержания стволовых клеток СВЗ (субвентрикулярной зоны, то есть еще одной нейрогенной ниши) в состоянии пролиферации.

Although the function of alpha synuclein is not well understood, studies suggest that it plays a role in restricting the mobility of synaptic vesicles, consequently attenuating synaptic vesicle recycling and neurotransmitter release. An alternate view is that alpha synuclein binds to VAMP2 (a synaptobrevin) and stabilizes SNARE complexes; though recent studies indicate that alpha synuclein–VAMP2 binding is critical for alpha synuclein mediated attenuation of synaptic vesicle recycling, connecting the two seemingly divergent views. DNA damage response markers co localize with alpha synuclein to form discrete foci in human cells and mouse brain. Depletion of alpha synuclein in human cells causes increased introduction of DNA DSBs after exposure to bleomycin and reduced ability to repair these DSBs. In addition, alpha synuclein knockout mice display a higher level of DSBs, and this problem can be alleviated by transgenic reintroduction of human alpha synuclein. Alpha synuclein promotes the DSB repair pathway referred to as non homologous end joining. The normal physiological role of Snca, however, has not yet been thoroughly explained. In fact, physiological Snca has been demonstrated to have a neuroprotective impact by inhibiting apoptosis induced by several types of apoptotic stimuli, or by regulating the expression of proteins involved in apoptotic pathways. Recently it has been demonstrated that up regulation of alpha synuclein in the dentate gyrus (a neurogenic niche where new neurons are generated throughout life) activates stem cells, in a model of premature neural aging. This model shows reduced expression of alpha synuclein and reduced proliferation of stem cells, as is physiologically observed during aging. Exogenous alpha synuclein in the dentate gyrus is able to rescue this defect. Moreover, alpha synuclein also boosts the proliferation of dentate gyrus progenitor neural cells in wild type young mice. Thus, alpha synuclein represents an effector for neural stem and progenitor cell activation. Similarly, alpha synuclein has been found to be required to maintain stem cells of the SVZ (subventricular zone, i. e., another neurogenic niche) in a cycling state.

Клиническое значение

Альфа-синуклеин, не имеющий единой, четко определенной третичной структуры, является внутренне неупорядоченным белком с изоэлектрической точкой (pI) 4,7, который при определенных патологических условиях может неправильно сворачиваться, обнажая его основные гидрофобные остатки во внутриклеточной среде, тем самым создавая возможность для гидрофобных взаимодействий с аналогичным, равноценно обнаженным белком. В 2011 году две группы опубликовали результаты, показывающие, что немутированный α-синуклеин образует стабильно сложенный тетрамер, устойчивый к агрегации, утверждая, что этот сложенный тетрамер представляет собой релевантную in vivo структуру в клетках, тем самым лишая альфа-синуклеин его неупорядоченного статуса. Сторонники тетрамерной гипотезы утверждали, что in vivo перекрестные связи в бактериях, первичных нейронах и клетках эритролейкемии человека подтвердили наличие лабильных тетрамерных форм. Однако, несмотря на многочисленные данные, полученные с помощью ЯМР в клетках, демонстрирующие, что альфа-синуклеин действительно является мономером и неупорядочен в неповрежденных клетках кишечной палочки, вопрос остается предметом дебатов в области, несмотря на постоянно растущий объем противоречивых данных. Тем не менее, альфа-синуклеин агрегирует с образованием нерастворимых фибрилл при патологических состояниях, характеризующихся телами Леви, таких как болезнь Паркинсона, деменция с телами Леви и множественная системная атрофия. Эти расстройства известны как синуклеинопатии. In vitro модели синуклеинопатий показали, что агрегация альфа-синуклеина может приводить к различным клеточным нарушениям, включая нарушение функции микротрубочек, синаптические и митохондриальные дисфункции, окислительный стресс, а также дезрегуляцию кальциевой сигнализации, протеасомного и лизосомального путей. Альфа-синуклеин является основным структурным компонентом фибрилл тел Леви. Иногда тела Леви содержат белок тау; однако альфа-синуклеин и тау составляют два различных подмножества нитей в одних и тех же включениях. Патология альфа-синуклеина также обнаруживается как в спорадических, так и в семейных случаях болезни Альцгеймера. Механизм агрегации альфа-синуклеина неясен. Существуют данные о структурированном промежуточном продукте, богатом бета-структурой, который может быть предшественником агрегации и, в конечном итоге, тел Леви. Исследование отдельных молекул в 2008 году предполагает, что альфа-синуклеин существует в виде смеси неструктурированных, альфа-спиральных и бета-листных конформеров в равновесии. Мутации или буферные условия, известные своей способностью усиливать агрегацию, значительно увеличивают популяцию бета-конформера, что позволяет предположить, что это может быть конформация, связанная с патогенной агрегацией. Одна из теорий заключается в том, что большинство агрегатов альфа-синуклеина локализуются в пресинапсе в виде небольших отложений, вызывающих синаптическую дисфункцию. Среди стратегий лечения синуклеинопатий – соединения, ингибирующие агрегацию альфа-синуклеина. Показано, что малая молекула куминальдегид ингибирует фибрилляцию альфа-синуклеина. Вирус Эпштейна-Барр был вовлечен в эти расстройства. В редких случаях семейных форм болезни Паркинсона наблюдается мутация в гене, кодирующем альфа-синуклеин. На сегодняшний день идентифицировано пять точечных мутаций: A53T, A30P, E46K, H50Q и G51D; однако в общей сложности девятнадцать мутаций в гене SNCA были связаны с паркинсонизмом: A18T, A29S, A53E, A53V, E57A, V15A, T72M, L8I, V15D, M127I, P117S, M5T, G93A, E83Q и A30G. Сообщалось, что некоторые мутации влияют на этапы инициации и усиления процесса агрегации. Геномное дуплицирование и трипликация гена, по-видимому, являются редкой причиной болезни Паркинсона в других родословных, хотя и более распространенной, чем точечные мутации. Следовательно, определенные мутации альфа-синуклеина могут приводить к образованию амилоидоподобных фибрилл, способствующих развитию болезни Паркинсона. Чрезмерная экспрессия человеческого дикого типа или мутантного альфа-синуклеина A53T у приматов приводит к отложению альфа-синуклеина в вентральном среднем мозге, дегенерации дофаминергической системы и нарушению двигательной функции. Определенные участки белка альфа-синуклеина могут играть роль в тауопатиях. Прионная форма белка альфа-синуклеина может быть причиной заболевания множественная системная атрофия. Описаны самовоспроизводящиеся "прионоподобные" амилоидные агрегаты альфа-синуклеина, невидимые для амилоидного красителя тиофлавина T и способные быстро распространяться в нейронах in vitro и in vivo. Антитела к альфа-синуклеину заменили антитела к убиквитину в качестве золотого стандарта для иммуноокрашивания тел Леви. Центральная панель на рисунке справа показывает основной путь агрегации белка. Мономерный α-синуклеин нативно развернут в растворе, но также может связываться с мембранами в α-спиральной форме. Вероятно, эти два вида существуют в равновесии внутри клетки, хотя это и не доказано. Из in vitro исследований ясно, что развернутый мономер может сначала агрегировать в небольшие олигомерные виды, которые могут быть стабилизированы взаимодействиями, подобными бета-листам, а затем в фибриллы с более высокой молекулярной массой, нерастворимые в воде. В клеточном контексте есть некоторые данные, свидетельствующие о том, что присутствие липидов может способствовать образованию олигомеров: α-синуклеин также может образовывать кольцевые структуры, подобные порам, которые взаимодействуют с мембранами. Отложение α-синуклеина в патологические структуры, такие как тела Леви, вероятно, является поздним событием, происходящим в некоторых нейронах. Слева представлены некоторые известные модификаторы этого процесса. Электрическая активность в нейронах изменяет ассоциацию α-синуклеина с везикулами и может также стимулировать протеинкиназу, подобную поло (PLK2), которая, как было показано, фосфорилирует α-синуклеин в Ser129. Также было предложено участие других киназ. Помимо фосфорилирования, усечение протеазами, такими как кальпаины, и нитрация, вероятно, посредством оксида азота (NO) или других реактивных азотистых соединений, присутствующих во время воспаления, все модифицируют синуклеин таким образом, что он имеет более высокую тенденцию к агрегации. Добавление убиквитина (изображено черной точкой) к телам Леви, вероятно, является вторичным процессом по отношению к отложению. Справа представлены некоторые предполагаемые клеточные мишени токсичности, опосредованной α-синуклеином, которые включают (сверху вниз) транспорт ЭР-Гольджи, синаптические везикулы, митохондрии и лизосомы, а также другие протеолитические механизмы. В каждом из этих случаев предполагается, что α-синуклеин оказывает негативное воздействие, указанное ниже каждой стрелки, хотя на данный момент неясно, является ли какой-либо из них необходимым или достаточным для токсичности в нейронах.

Alpha synuclein, having no single, well defined tertiary structure, is an intrinsically disordered protein, with a pI value of 4.7, which, under certain pathological conditions, can misfold in a way that exposes its core hydrophobic residues to the intracellular milieu, thus providing the opportunity for hydrophobic interactions to occur with a similar, equally exposed protein. In 2011, two groups published their findings that unmutated α synuclein forms a stably folded tetramer that resists aggregation, asserting that this folded tetramer represented the relevant in vivo structure in cells, thereby relieving alpha synuclein of its disordered status. Proponents of the tetramer hypothesis argued that in vivo cross linking in bacteria, primary neurons and human erythroleukemia cells confirmed the presence of labile, tetrameric species. However, despite numerous in cell NMR reports demonstrating that alpha synuclein is indeed monomeric and disordered in intact E. coli cells, it is still a matter of debate in the field despite an ever growing mountain of conflicting reports. Nevertheless, alpha synuclein aggregates to form insoluble fibrils in pathological conditions characterized by Lewy bodies, such as Parkinson's disease, dementia with Lewy bodies and multiple system atrophy. These disorders are known as synucleinopathies. In vitro models of synucleinopathies revealed that aggregation of alpha synuclein may lead to various cellular disorders including microtubule impairment, synaptic and mitochondrial dysfunctions, oxidative stress as well as dysregulation of Calcium signaling, proteasomal and lysosomal pathway. Alpha synuclein is the primary structural component of Lewy body fibrils. Occasionally, Lewy bodies contain tau protein; however, alpha synuclein and tau constitute two distinctive subsets of filaments in the same inclusion bodies. Alpha synuclein pathology is also found in both sporadic and familial cases with Alzheimer's disease. The aggregation mechanism of alpha synuclein is uncertain. There is evidence of a structured intermediate rich in beta structure that can be the precursor of aggregation and, ultimately, Lewy bodies. A single molecule study in 2008 suggests alpha synuclein exists as a mix of unstructured, alpha helix, and beta sheet rich conformers in equilibrium. Mutations or buffer conditions known to improve aggregation strongly increase the population of the beta conformer, thus suggesting this could be a conformation related to pathogenic aggregation. One theory is that the majority of alpha synuclein aggregates are located in the presynapse as smaller deposits which causes synaptic dysfunction. Among the strategies for treating synucleinopathies are compounds that inhibit aggregation of alpha synuclein. It has been shown that the small molecule cuminaldehyde inhibits fibrillation of alpha synuclein. The Epstein Barr virus has been implicated in these disorders. In rare cases of familial forms of Parkinson's disease, there is a mutation in the gene coding for alpha synuclein. Five point mutations have been identified thus far: A53T, A30P, E46K, H50Q, and G51D; however, in total, nineteen mutations in the SNCA gene have been associated with parkinsonism: A18T, A29S, A53E, A53V, E57A, V15A, T72M, L8I, V15D, M127I, P117S, M5T, G93A, E83Q, and A30G. It has been reported that some mutations influence the initiation and amplification steps of the aggregation process. Genomic duplication and triplication of the gene appear to be a rare cause of Parkinson's disease in other lineages, although more common than point mutations. Hence certain mutations of alpha synuclein may cause it to form amyloid like fibrils that contribute to Parkinson's disease. Over expression of human wild type or A53T mutant alpha synuclein in primates drives deposition of alpha synuclein in the ventral midbrain, degeneration of the dopaminergic system and impaired motor performance. Certain sections of the alpha synuclein protein may play a role in the tauopathies. A prion form of the protein alpha synuclein may be a causal agent for the disease multiple system atrophy. Self replicating "prion like" amyloid assemblies of alpha synuclein have been described that are invisible to the amyloid dye Thioflavin T and that can acutely spread in neurons in vitro and in vivo. Antibodies against alpha synuclein have replaced antibodies against ubiquitin as the gold standard for immunostaining of Lewy bodies. The central panel in the figure to the right shows the major pathway for protein aggregation. Monomeric α synuclein is natively unfolded in solution but can also bind to membranes in an α helical form. It seems likely that these two species exist in equilibrium within the cell, although this is unproven. From in vitro work, it is clear that unfolded monomer can aggregate first into small oligomeric species that can be stabilized by β sheet like interactions and then into higher molecular weight insoluble fibrils. In a cellular context, there is some evidence that the presence of lipids can promote oligomer formation: α synuclein can also form annular, pore like structures that interact with membranes. The deposition of α synuclein into pathological structures such as Lewy bodies is probably a late event that occurs in some neurons. On the left hand side are some of the known modifiers of this process. Electrical activity in neurons changes the association of α synuclein with vesicles and may also stimulate polo like kinase 2 (PLK2), which has been shown to phosphorylate α synuclein at Ser129. Other kinases have also been proposed to be involved. As well as phosphorylation, truncation through proteases such as calpains, and nitration, probably through nitric oxide (NO) or other reactive nitrogen species that are present during inflammation, all modify synuclein such that it has a higher tendency to aggregate. The addition of ubiquitin (shown as a black spot) to Lewy bodies is probably a secondary process to deposition. On the right are some of the proposed cellular targets for α synuclein mediated toxicity, which include (from top to bottom) ER golgi transport, synaptic vesicles, mitochondria and lysosomes and other proteolytic machinery. In each of these cases, it is proposed that α synuclein has detrimental effects, listed below each arrow, although at this time it is not clear if any of these are either necessary or sufficient for toxicity in neurons.