Abstract The slime of velvet worms (Onychophora) is a strong and fully biodegradable protein material, which upon ejection undergoes a fast liquid-to-solid transition to ensnare prey. However, the molecular mechanisms of slime self-assembly are still not well understood, notably because the primary structures of slime proteins are yet unknown. Combining transcriptomic and proteomic studies, we have obtained the complete primary sequences of slime proteins and identified key features for slime self-assembly. The high molecular weight slime proteins contain Cys residues at the N- and C-termini that mediate the formation of multi-protein complexes via disulfide bonding. Low complexity domains in the N-termini were also identified and their propensity for liquid-liquid phase separation established, which may play a central role for slime biofabrication. Using solid-state nuclear magnetic resonance, rigid and flexible domains of the slime proteins were mapped to specific peptide domains. The complete sequencing of major slime proteins is an important step towards sustainable fabrication of polymers inspired by the velvet worm slime.

ABSTRACT Studying pathogenic effects of amyloids requires homogeneous amyloidogenic peptide samples. Recombinant production of these peptides is challenging due to their susceptibility to aggregation and chemical modifications. Thus, chemical synthesis is primarily used to produce amyloidogenic peptides suitable for high resolution structural studies. Here, we exploited the shielded environment of protein condensates formed via liquid-liquid phase separation (LLPS) as a protective mechanism against premature aggregation. We designed a fusion protein tag undergoing LLPS in E. coli and linked it to highly amyloidogenic peptides, including Aβ amyloid. We find that the fusion proteins form membraneless organelles during overexpression and remain soluble. We also developed a facile purification method of functional Aβ peptides free of chromatography steps. The strategy exploiting LLPS can be applied to other amyloidogenic, hydrophobic, and repetitive peptides that are otherwise difficult to produce.

Endogenous brain proteins can recognize the toxic oligomers of amyloid-β (Aβ) peptides implicated in Alzheimer's disease (AD) and interact with them to prevent their aggregation. Lipocalin-type Prostaglandin D Synthase (L-PGDS) is a major A β-chaperone protein in the human cerebrospinal fluid. Here we demonstrate that L-PGDS detects amyloids in diseased mouse brain. Conjugation of L-PGDS with magnetic nanoparticles enhanced the contrast for magnetic resonance imaging. We conjugated the L-PGDS protein with ferritin nanocages to detect amyloids in the AD mouse model brain. We show here that the conjugates administered through intraventricular injections co-localize with amyloids in the mouse brain. These conjugates can target the brain regions through non-invasive intranasal administration, as shown in healthy mice. These conjugates can inhibit the aggregation of amyloids in vitro and show potential neuroprotective function by breaking down the mature amyloid fibrils.

A population of >6 million people worldwide at high risk of Alzheimer's disease (AD) are those with Down Syndrome (DS, caused by trisomy 21 (T21)), 70% of whom develop dementia during lifetime, caused by an extra copy of β-amyloid-(Aβ)-precursor-protein gene. We report AD-like pathology in cerebral organoids grown in vitro from non-invasively sampled strands of hair from 71% of DS donors. The pathology consisted of extracellular diffuse and fibrillar Aβ deposits, hyperphosphorylated/pathologically conformed Tau, and premature neuronal loss. Presence/absence of AD-like pathology was donor-specific (reproducible between individual organoids/iPSC lines/experiments). Pathology could be triggered in pathology-negative T21 organoids by CRISPR/Cas9-mediated elimination of the third copy of chromosome-21-gene BACE2, but prevented by combined chemical β and γ-secretase inhibition. We found that T21-organoids secrete increased proportions of Aβ-preventing (Aβ1-19) and Aβ degradation products (Aβ1-20 and Aβ1-34). We show these profiles mirror in cerebrospinal fluid of people with DS. We demonstrate that this protective mechanism is mediated by BACE2-trisomy and cross-inhibited by clinically trialled BACE1-inhibitors. Combined, our data prove the physiological role of BACE2 as a dose-sensitive AD-suppressor gene, potentially explaining the dementia delay in ~30% of people with DS. We also show that DS cerebral organoids could be explored as pre-morbid AD-risk population detector and a system for hypothesis-free drug screens as well as identification of natural suppressor genes for neurodegenerative diseases.

A positive association of the exposure to different classes of xenobiotics such as commonly prescribed drugs and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) typically those found in air pollution-related particulate matter with Alzheimer's disease (AD) may point to direct physical interaction of those compounds with the amyloid formation and clearance processes. In this study, for the first time, we provide evidence of such interactions for three representative compounds from prescription drugs and air pollution, e.g. anticholinergic drugs Chlorpheniramine, a common antihistamine, and Trazodone, an antidepressant as well as 9,10-PQ, a common PAH anthraquinone abundantly present in diesel exhaust and associated with AD. We demonstrate that these three compounds bind to the lipophilic compound carrier and neuroprotective amyloid beta chaperone lipocalin-type prostaglandin D synthase (L-PGDS) with high affinity attenuating its neuroprotective chaperone function with Chlorpheniramine exhibiting markedly stronger inhibitory effects. We also show that these compounds directly interact with Aβ(1-40) increasing the fibrils yield with altered fibril morphology and increased the cytotoxicity of the resulting fibrils. We propose that exposure to some xenobiotics in the peripheral tissues such as gut and lungs might result in the accumulation of these compounds in the brain facilitated by the carrier function of L-PGDS. This might lead to attenuation of its neuroprotective function and direct modification of Aβ amyloid morphology and cytotoxicity. This hypothesis might provide a mechanistic link between exposure to xenobiotic compounds and the increased risk of Alzheimer's disease.