Wechselwirkung von IAPP mit Lipidmembranen und der Mechanismus der Fibrillenbildung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Es wurde der Mechanismus der Wechselwirkung des humanen Islet Amyloid Polypeptids (hIAPP) mit Lipidmembranen unterschiedlicher Komplexität untersucht. Das hIAPP ist ein Peptidhormon, welches in den β-Zellen des Pankreas synthetisiert wird und zusammen mit Insulin und Glukagon an der Regulation des Zuckermetabolismus beteiligt ist. Die Aggregation und Amyloidbildung des IAPP führt zu Diabetes Mellitus Typ II. Der Prozess der Selbstassoziation des hIAPP, die Bildung intermediärer Strukturen sowie die Interaktion des hIAPP mit zellulären Membranen scheinen maßgeblich für seine Zytotoxizität verantwortlich zu sein. Es wurde insbesondere der Einfluss verschiedene Membransysteme sowie isolierter Lipide pankreatischer β-Zellen sowie die Interaktion des hIAPP mit dem ebenfalls amyloidogenen Peptid Amyloid β (Aβ) und dem möglichen Chaperonprotein Serum Amyloid P Komponente untersucht. Weiterhin wurde der Einfluss zellulären Crowdings und von Cosolvenzien auf das Aggregationsverhalten von hIAPP ermittelt. Es konnte gezeigt werden, dass hIAPP in der biologischen Zelle einer Reihe von Wechselwirkungen ausgesetzt ist und somit auch das Aggregationsverhalten des hIAPP in seiner physiologischen Umgebung von einer Vielzahl von Faktoren abhängt. Diese Faktoren, wie zelluläre Membranen, Inter¬aktions¬proteine oder selbst das natürliche zelluläre Crowding, beeinflussen die Aggregation des hIAPP auf unterschiedliche Weise. Für isolierte pankreatische β Zellmembranen konnte eine beschleunigende Wirkung auf die Aggregation des hIAPP, ausgelöst durch eine rasche Adsorption des Peptids an die Membran und folglich lokale Konzentrationserhöhung, ermittelt werden. Die Zerstörung der β-Zellmembranen stellt wahrscheinlich die Ursache der hIAPP-induzierten Zytotoxizität in vivo dar. In Anwesenheit des mit der Alzheimerkrankheit assoziierten Aβ werden hIAPP/Aβ-Heteroaggregate gebildet, die an die isolierte β Zellmembran adsorbieren, dort zu Fibrillen aggregieren und schließlich die β-Zellmembran zerstören. Dieser Prozess erfolgt im Vergleich zum reinen hIAPP langsamer, jedoch deutlich schneller als bei reinem Aβ. Wie am Beispiel der Serum Amyloid P Komponente und des Bovinen Serum Albumins gezeigt, wirken einige Proteine dementgegen als Chaperone der hIAPP-Faltung und retardieren oder inhibieren sogar durch die Stabilisierung oligomerer hIAPP-Spezies die Aggregation. Andere Faktoren, wie Kosolvenzien oder makromolekulares Crowding, stabilisieren jeweils unterschiedliche hIAPP-Spezies, was die Aggregation ebenfalls retardieren und zur Reduktion der gebildeten Fibrillenmenge führen kann. Im Allgemeinen kann diese Stabilisierung verschiedener hIAPP-Formen als physiologisch positiver Effekt die Akkumulation nicht toxischer off-pathway-Spezies zur Folge haben, wie im Fall des Crowdings explizit gezeigt wurde. Allerdings wäre auch eine Anhäufung toxischer hIAPP-Oligomere als negativer Effekt für die biologische Zelle denkbar. Um die Bildung toxischer Oligomere zu verhindern, konnten in ersten Studien sieben kleine Moleküle, die möglicherweise inhibitorisches Potential gegenüber der Aggregation des hIAPP besitzen, identifiziert werden. Die Ergebnisse sollen in Zukunft letztendlich helfen, geeignete Strategien der Inhibierung der Oligomeren- und Fibrillenbildung des humanen IAPP zu konzipieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2010) Interaction of hIAPP with Model Raft Membranes and Pancreatic β-Cells: Cytotoxicity of hIAPP Oligomers. ChemBioChem, 11, 1280-1290
Weise, K., Radovan, D., Gohlke, A., Opitz, N., Winter, Roland
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(2011) Comparing the structural properties of human and rat islet amyloid polypeptide by MD computer simulations. Biophys. Chem., 156, 43-50
Andrews, M. N., Winter, R.
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(2011) Interaction of hIAPP and Its Precursors with Model and Biological Membranes. In Lipids and Cellular Membranes in Amyloid Diseases (Ed.: Jelinek, R.), Wiley-VCH, Weinheim
Weise, K., Mishra, R., Jha, S., Sellin, D., Radovan, D., Gohlke, A., Jeworrek, C., Seeliger, J., Möbitz, S., Winter, R.
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(2012) Cross-Amyloid Interaction of Aβ and IAPP at Lipid Membranes. Angew. Chem. Int. Ed., 51, 679-683
Seeliger, J., Evers, F., Jeworrek, C., Kapoor, S., Weise, K., Andreetto, E., Tolan, M., Kapurniotu, A., Winter, R.
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(2012) Islet Amyloid Polypeptide: Aggregation and Fibrillogenesis in vitro and Its Inhibition. In Protein Aggregation and Fibrillogenesis in Cerebral and Systemic Amyloid Disease (Ed.: Harris, J. R.), Subcell. Biochem., 65, 185-209, Springer Science, Dordrecht
Seeliger, J., Winter, R.
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(2012) The Effect of Aβ on IAPP Aggregation in the Presence of an Isolated β-Cell Membrane. J. Mol. Biol., 421, 348-363
Seeliger, J., Weise, K., Opitz, N., Winter, R.
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(2013) Cosolvent effects on the fibrillation reaction of human IAPP. Phys. Chem. Chem. Phys., 15, 8902-8907
Seeliger, J., Estel, K., Erwin, N., Winter, R.
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(2013) Lipid Bilayers Significantly Modulate Cross-Fibrillation of Two Distinct Amyloidogenic Peptides, J. Am. Chem. Soc. 135, 13582-13589
Gal, N., Morag, A., Kolusheva, S., Winter, R., Landau, M., Jelinek, R.
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(2013) Macromolecular Crowding as a Suppressor of Human IAPP Fibril Formation and Cytotoxicity. PLoS ONE, 8, e69652
Seeliger, J., Werkmüller, A., Winter, R.
