Identifizierung des Quervernetzungsmusters in humanem Elastin

• Antragstellerin: Dr. Andrea Heinz
• Fachliche Zuordnung: Pharmazie ; Biochemie
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 188218494

• Erstellungsjahr: 2017

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des DFG-Projektes war eine Aufklärung der Struktur des wichtigen extrazellulären Matrixproteins Elastins aus verschiedenen Geweben einschließlich seines Quervernetzungsmusters. Strukturvergleiche zwischen gesundem und erkranktem Gewebe im Rahmen der Untersuchungen sollten einen Beitrag dazu leisten, die biomechanischen Eigenschaften von Elastin sowie Erkrankungen des elastischen Gewebes besser zu verstehen. Vor den Untersuchungen hinsichtlich der Aufklärung des Quervernetzungsmusters humanen Elastins wurden Versuche durchgeführt, die sich dem Abbau Elastins mittels verschiedener biologisch relevanter Proteasen widmeten. Diese Experimente dienten unter anderem dazu, für die Aufklärung des Quervernetzungsmusters Elastins geeignete Proteasen zu finden, mit denen das Protein spezifisch abgebaut werden kann. Wie geplant wurden anschließend umfassende Strukturuntersuchungen an in vitro hergestellten, elastinähnlichen Biomaterialien durchgeführt, um neue analytische und bioinformatische Methoden entwickeln zu können, die die Aufklärung des komplexen Quervernetzungsmusters in humanem Aortenelastin zulassen. Die Studien sind als erfolgreich zu bewerten. Es gelang unter anderem, ein Softwareprogramm (PolyLinX) zu entwickeln, das eine Erkennung, Klassifizierung und Identifizierung verschieden quervernetzter Elastinpeptide aus MS/MS-Daten ermöglicht und im Gegensatz zu kommerziell verfügbarer Software nicht nur bifunktionale, sondern auch höher-funktional quervernetzte Spezies sequenzieren kann. Anschließend ermöglichte es die Nutzung verschiedener Ionisations- und Fragmentierungstechniken sowie verschiedener Massenanalysatoren und deren Kombinationen, komplementäre Informationen zu erhalten, die für die Identifizierung quervernetzter Elastinpeptide eingesetzt wurden. Auf Basis umfassender massenspektrometrischer Experimente und einer Sequenzierung der massenspektrometrischen Daten gelang es schließlich, ein Strukturmodell humanen Elastins zu entwickeln. Dieses Strukturmodell zeichnet überraschenderweise das Bild eines weitaus komplizierter und ungeordneter aufgebauten Elastins als bisher angenommen. Die Studie ist die erste, die einen Einblick in das bislang unbekannte Quervernetzungsmuster Elastins gibt. Neben den Untersuchungen zum Quervernetzungsmuster humanen Elastins wurden Untersuchungen zu Alterungsvorgängen elastischer Fasern sowie zur Ausbildung und zum Fortschreiten von Erkrankungen des elastischen Gewebes vorgenommen. So wurden wichtige Einblicke in die Struktur Elastins von Patienten des Williams-Beuren-Syndroms (WBS) geliefert und extrinsische und intrinsische Alterungsvorgänge an Hautelastin umfassend untersucht. Insgesamt ist das DFG-Projekt als Erfolg zu bewerten. Es wurden im Förderzeitraum entscheidende Fortschritte zur Aufklärung des Quervernetzungsmusters Elastins unternommen. Des Weiteren wurden Beiträge zur Herstellung moderner elastinbasierter Biomaterialien geleistet, die als Haut- und Gewebeersatz Anwendung finden können. Auch wurde das Spaltverhalten verschiedener biologisch relevanter Proteasen umfassend charakterisiert, und Alterungs- und Krankheitsvorgänge an elastischen Fasern wurden beleuchtet. Aktuelle Forschungsprojekte der Antragstellerin bauen auf die im Förderzeitraum gewonnenen Ergebnisse auf.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Insights into the degradation of human elastin by matrilysin-1, Biochimie, 2011, 93, 2, 187-194
  A. Heinz, S. Taddese, W. Sippl, R.H.H. Neubert, C.E.H. Schmelzer
  
• Structure and Activity of Aspergillus nidulans Copper Amine Oxidase, Biochemistry, 2011, 50, 5718–5730
  A.P. McGrath, S.M. Mithieux, C.A. Collyer, J.G. Bakhuis, M. van den Berg, A. Sein, A. Heinz, C. Schmelzer, A.S. Weiss, J.M. Guss
  
• Does human leukocyte elastase degrade intact skin elastin?, FEBS Journal, 2012, 279, 4191-4200
  C.E.H. Schmelzer, M.C. Jung, J. Wohlrab, R.H.H. Neubert, A. Heinz
  
• The action of neutrophil serine proteases on elastin and its precursor, Biochimie, 2012, 94, 192-202
  A. Heinz, M.C. Jung, G. Jahreis, A. Rusciani, L. Duca, L. Debelle, A.S. Weiss, R.H.H. Neubert, C.E.H. Schmelzer
  
• In vitro cross-linking of elastin peptides and molecular characterization of the resultant biomaterials, BBA - General Subjects, 2013, 1830, 2994-3004
  A. Heinz, C.K.H. Ruttkies, G. Jahreis, C.U. Schräder, K. Wichapong, W. Sippl, F.W. Keeley, R.H.H. Neubert, C.E.H. Schmelzer
  
• Investigating the role of (2S,4R)-4-hydroxyproline in elastin model peptides, Biomacromolecules, 2013, 14, 4278-88
  B. Bochicchio, A. Laurita, A. Heinz, C.E.H. Schmelzer, A. Pepe
  
• Molecular-level characterization of elastin-like constructs and human aortic elastin, Matrix Biology, 2014, 38, 12-21
  A. Heinz, C.U. Schräder, S. Baud, F.W. Keeley, S.M. Mithieux, A.S. Weiss, R.H.H. Neubert, C.E.H. Schmelzer
  
• Fingerprinting Desmosine- Containing Elastin Peptides, J. Am. Soc. Mass. Spectrom., 2015, 26, 762-773
  C.U. Schräder, A. Heinz, P. Majovsky, C.E.H. Schmelzer
  
• Modeling Autosomal Recessive Cutis Laxa Type 1c in Mice Reveals Distinct Functions for Ltbp-4 Isoforms, Dis. Model. Mech., 2015, 8, 4, 403-415
  I. Bultmann-Mellin, A. Conradi, A. C. Maul, K. Dinger, F. Wempe, A. P. Wohl, T. Imhof, F. T. Wunderlich, A. C. Bunck, T. Nakamura, K. Koli, W. Bloch, A. Ghanem, A. Heinz, H. von Melchner, G. Sengle and A. Sterner-Kock
  
• Proteinbasierte Biomaterialien, Verfahren zu ihrer Herstellung und deren Verwendung, 2015, Aktenzeichen: 10 2015 000 785.8
  A. Heinz, C.E.H. Schmelzer, G. Jahreis
  
• Elastins from patients with Williams-Beuren syndrome and healthy individuals differ on the molecular level, Am. J. Med. Gen. A, 2016, 170, 7, 1832-1842
  A. Heinz, A.C. Mora Huertas, C.U. Schräder, R. Pankau, A. Gosch, C.E.H. Schmelzer
  
• Molecular-level insights into aging processes of skin elastin, Biochimie, 2016, 128-129, 163-173
  A.C. Mora Huertas, C.E.H. Schmelzer, W. Hoehenwarter, F. Heyroth, A. Heinz