Abstract While aggregation-prone proteins are known to accelerate ageing and cause age-related diseases, the cellular mechanisms that drive their cytotoxicity remain unresolved. The orthologous proteins MOAG-4, SERF1A and SERF2 have recently been identified as cellular modifiers of such cytotoxicity. Using a peptide array screening approach on human amyloidogenic proteins, we found that SERF2 interacted with specific patterns of negatively charged and hydrophobic, aromatic amino acids. The absence of such patterns, or the neutralization of the positive charge in SERF2, prevented these interactions and abolished the amyloid-promoting activity of SERF2. In a protein aggregation model in the nematode C. elegans , protein aggregation was suppressed by mutating the endogenous locus of MOAG-4 to neutralize charge. Our data indicate that charge interactions are required for MOAG-4 and SERF2 to promote aggregation. Such charged interactions might accelerate the primary nucleation of amyloid by initiating structural changes and by decreasing colloidal stability. Our finding that negatively charged segments are overrepresented in amyloid-forming proteins suggests that inhibition of charge interactions deserves exploration as a strategy to target age-related protein toxicity. Significance Statement How aging causes relatively common diseases such as Alzheimer’s and Parkinson’s is still a mystery. Since toxic structural changes in proteins are likely to be responsible, we investigated biological mechanisms that could drive such changes. We made use of a modifying factor called SERF2, which accelerates structural changes and aggregation of several disease-related proteins. Through a peptide-binding screen, we found that SERF2 acts on negatively charged protein regions. The abundance of such regions in the disease-related proteins explains why SERF has its effect. Removing positive charge in SERF was sufficient to suppress protein aggregation in models for disease. We propose that blocking charge-interactions with SERF or other modifiers could serve as a general approach to treat age-related protein toxicity.

ABSTRACT The tendency for proteins to form aggregates is an inherent part of every proteome and arises from the self-assembly of short protein segments called aggregation-prone regions (APRs). While post-translational modifications (PTMs) have been implicated in modulating protein aggregation, their direct role in APRs remains poorly understood. In this study, we used a combination of proteome-wide computational analyses and biochemical techniques to investigate the potential involvement of PTMs in aggregation regulation. Our findings reveal that while most PTM types are disfavored near APRs, N-glycosylation is enriched and evolutionarily selected, especially in proteins prone to misfolding. Experimentally, we show that N-glycosylation inhibits the aggregation of peptides in vitro through steric hindrance. Moreover, mining existing proteomics data, we find that the loss of N-glycans at the flanks of APRs leads to specific protein aggregation in Neuro2a cells. Our results point towards a novel intrinsic role for N-glycosylation, directly preventing protein aggregation in eukaryotes.

Because of vectorial protein production, residues that interact in the native protein structure but are distantly separated in the primary sequence are unavailable simultaneously. Instead, there is a temporal delay during which the N-terminal interaction partner is vulnerable to off-pathway, non-native interactions. In this analysis, we introduce "FoldDelay" (FD), a metric that integrates the topological pattern of atomic interactions of the native structure with translation kinetics to quantify such time delays. The FD metric reveals that many proteins, particularly at eukaryotic translation rates, exhibit residues with FDs in the range of tens of seconds. These residues, predominantly in well-structured, buried regions, often coincide with predicted aggregation-prone regions. We show a correlation between FD and co-translational engagement by the yeast Hsp70 chaperone Ssb, suggesting that fold-delayed regions have a propensity to misfold. In support of this, we show that proteins with high FDs are more frequently co-translationally ubiquitinated and prone to aggregate upon Ssb deletion. Finally, we find that FD cannot be adequately reduced through codon optimization, highlighting the importance of co-translational chaperones to shield these vulnerable regions. This work offers insights into co-translational proteostasis and the delicate balance between efficient folding and potential misfolding and aggregation during translation.

Abstract It is still unclear why pathological amyloid deposition initiates in specific brain regions, nor why specific cells or tissues are more susceptible than others. Amyloid deposition is determined by the self-assembly of short protein segments called aggregation-prone regions (APRs) that favour cross-β structure. Here we investigated whether Aβ amyloid assembly can be modified by heterotypic interactions between Aβ APRs and short homologous segments in otherwise unrelated human proteins. We identified heterotypic interactions that accelerate Aβ assembly, modify fibril morphology and affect its pattern of deposition in vitro . Moreover, we found that co-expression of these proteins in an Aβ reporter cell line promotes Aβ amyloid aggregation. Importantly, reanalysis of proteomics data of Aβ plaques from AD patients revealed an enrichment in proteins that share homologous sequences to the Aβ APRs, suggesting heterotypic amyloid interactions may occur in patients. Strikingly, we did not find such a bias in plaques from overexpression models in mouse. Based on these data, we propose that heterotypic APR interactions may play a hitherto unrealised role in amyloid-deposition diseases.