[en] α-Synuclein (αS) aggregation is the main neurological hallmark of a group of debilitating neurodegenerative disorders, collectively referred to as synucleinopathies, of which Parkinson's disease is the most prevalent. Oligomers populated during the early events of αS aggregation are considered key pathogenic drivers of disease onset and progression, standing as privileged targets for therapeutic intervention and diagnosis. However, the structure of αS oligomers and the mechanistic basis of oligomer to fibril conversion are yet unknown, precluding the rational design of oligomer-targeting strategies. In this thesis dissertation, we exploited the main shared physicochemical properties of αS oligomers and fibrils to identify a family of α-helical peptides that bind αS pathogenic species with high affinity and conformational selectivity. These peptides have the potential to inhibit protein aggregation and abrogate oligomer associated cellular damage, with non-detectable monomer binding. These properties make them promising tools for disease diagnosis and treatment. Noteworthy, LL-37, one of such peptides, is constitutively expressed in disease-relevant tissues in humans, suggesting that this or similar endogenous peptides may have a physiological role in control protein aggregation. We then exploited this peptide binding to interrogate oligomer's structural features. Peptide binding to oligomers reduces their fuzziness and conformational heterogenicity, allowing a more detailed structural characterization. We determined for the first time the symmetry and architecture of an αS oligomer and dissected the conformational properties of individual chains. We also identified a short N-terminal region fundamental for oligomer to fibril conversion. The familial G51D mutation associated with early onset Parkinson's disease affects the conformational of this region, causing an accumulation of oligomers resistant to the Hsp70 disaggregation machinery. Overall, our results build a new structural and biophysical framework for oligomer targeting in therapeutics and diagnosis while unveiling new structural and mechanistic features of αS oligomers.

[es] La agregación de la alfa-sinucleína (αS) es la principal característica neurológica de un grupo de trastornos neurodegenerativos debilitantes, conocidos colectivamente como sinucleinopatías, de los cuales la enfermedad de Parkinson es la más frecuente. Los oligómeros poblados durante los primeros eventos de la agregación de αS son elementos patogénicos clave tanto en el inicio como en la progresión de la enfermedad, y por tanto son considerados dianas privilegiadas para la intervención terapéutica y el diagnóstico de estas enfermedades. Desgraciadamente, la estructura de los oligómeros de αS y las bases moleculares que dirigen su conversión a fibras son todavía desconocidas, impidiendo el diseño racional de estrategias que tengan los oligómeros como diana. En esta tesis, hemos aprovechado las principales propiedades físico-químicas compartidas entre los oligómeros y las fibras de αS para identificar a una familia de péptidos helicoidales que se unen con alta afinidad y selectividad conformacional a estas especies patogénicas de αS. Estos péptidos tienen el potencial de inhibir la agregación de esta proteína y eliminar el daño celular asociado a los oligómeros, sin interaccionar con los monómeros funcionales de αS. Estas propiedades los convierten en herramientas prometedoras para el diagnóstico y tratamiento de estas enfermedades. Cabe destacar que uno de estos péptidos, LL-37, se expresa de forma constitutiva en humanos en tejidos relevantes para la enfermedad, sugiriendo que este u otros péptidos endógenos similares pueden tener un papel relevante en el control de la agregación de αS a nivel fisiológico. Además, hemos aprovechado la interacción de estos péptidos para poder descifrar las características estructurales de los oligómeros. La unión de estos péptidos a los oligómeros reduce su flexibilidad y heterogeneidad conformacional, permitiendo una caracterización estructural más detallada. Esta aproximación nos ha permitido determinar por primera vez la simetría y la arquitectura de un oligómero de αS, llegando a diseccionar las propiedades conformacionales de sus cadenas individuales. También hemos identificado una región corta en el N-terminal del αS fundamental para la conversión de los oligómeros a fibras. La mutación familiar G51D, asociada al desarrollo temprano de la enfermedad de Parkinson, afecta a la conformación de esta región, provocando una acumulación de oligómeros resistentes a la maquinaria de desagregación de Hsp70. Globalmente, nuestros resultados revelan nuevas características estructurales y mecanísticas de los oligómeros de αS y construyen un nuevo marco estructural y biofísico para el desarrollo de nuevas estrategias terapéuticas y de diagnóstico para la enfermedad de Parkinson y otras sinucleinopatías.