Development of Parkinson's disease is associated with spontaneous self-assembly of α-synuclein (α-syn). Efforts aimed at understanding this process have produced little clarity and the mechanism remains elusive. We report a novel effect of phospholipid bilayers on the catalysis of α-syn aggregation from monomers. We directly visualized α-syn aggregation on supported lipid bilayers using time-lapse atomic force microscopy. We discovered that α-syn assemble in aggregates on bilayer surfaces even at the nanomolar concentration of monomers in solution. The efficiency of the aggregation process depends on the membrane composition, being highest for a negatively charged bilayer. Furthermore, assembled aggregates can dissociate from the surface, suggesting that on-surface aggregation can be a mechanism by which pathological aggregates are produced. Computational modeling revealed that interaction of α-syn with bilayer surface changes the protein conformation and its affinity to assemble into dimers, and these properties depend on the bilayer composition. A model of the membrane-mediated aggregation triggering the assembly of neurotoxic aggregates is proposed.

Neuronal hyperexcitability is a hallmark of seizures. It has been recently shown in rodent models of seizures that microglia, the brain9s resident immune cells, can respond to and modulate neuronal excitability. However, how human microglia interacts with human neurons to regulate hyperexcitability mediated by epilepsy-causing genetic mutation found in human patients remains unknown. The SCN2A genetic locus is responsible for encoding the voltage-gated sodium channel Nav1.2, recognized as one of the leading contributors to monogenic epilepsies. Previously, we demonstrated that the recurring Nav1.2-L1342P mutation identified in patients with epilepsy leads to hyperexcitability in a hiPSC-derived cortical neuron model from a male donor. While microglia play an important role in the brain, these cells originate from a different lineage (yolk sac) and thus are not naturally present in hiPSCs-derived neuronal culture. To study how microglia respond to diseased neurons and influence neuronal excitability, we established a co-culture model comprising hiPSC-derived neurons and microglia. We found that microglia display altered morphology with increased branch length and enhanced calcium signal when co-cultured with neurons carrying the Nav1.2-L1342P mutation. Moreover, the presence of microglia significantly lowers the action potential firing of neurons carrying the mutation. Interestingly, we further demonstrated that the current density of sodium channels in neurons carrying the epilepsy-associated mutation was reduced in the presence of microglia. Taken together, our work reveals a critical role of human iPSCs-derived microglia in sensing and dampening hyperexcitability mediated by an epilepsy-causing mutation present in human neurons, highlighting the importance of neuron-microglia interactions in human pathophysiology.