Transmissionselektronenmikroskop
Final Report Abstract
Die Bildung und Struktur von Amyloidfibrillen sind das übergreifende Thema der wissenschaftlichen Arbeiten des Instituts für Proteinbiochemie an der Universität Ulm. Amyloidfibrillen kommen im Zuge von Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson im Gehirn und in den Systemischen Amyloidosen in verschiedenen Organen z.B. Herz, Niere oder Leber vor. Teil der Bildung dieser Fibrillen ist das transiente Auftreten von präfibrillären Zwischenzuständen – sogenannten Oligomeren, die insbesondere in der Pathologie von neurodegenerativen Erkrankungen eine wesentliche Bedeutung haben. In den Systemischen Amyloidosen können sowohl Fibrillen als auch Oligomere bedeutsam sein. Schließlich kommt amyloidartigen Strukturen eine zunehmende Bedeutung als neuartige Nanomaterialien zu. Das Institut für Proteinbiochemie untersucht insbesondere die medizinisch relevanten Amyloide (Fibrillen wie auch Oligomere), wobei künstliche Proteinstrukturen mit einem möglichen langfristigen Anwendungsbezug am Institut eine zunehmende Rolle spielen. Zur Charakterisierung und Darstellung von amyloiden Fibrillen und Oligomeren ist das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) für unsere Arbeiten entscheidend. Unabhängig von der Quelle des Untersuchungsguts – aus Patientenmaterial aufgereinigte Strukturen oder künstlich im Reagenz gebildete Aggregate – ist das TEM das zur Probencharakterisierung zentrale Gerät. Wir nutzen es darüber hinaus, um Proben für die anschließende kryo-elektronenmikroskopische Untersuchung und Strukturrekonstruktion zu optimieren. Viele Publikationen, zu denen das neu beschaffte Gerät beigetragen hat, zeigen TEM-Aufnahmen von Aggregaten und Fibrillen als Qualitätsnachweis für ihre fibrilläre Morphologie und Häufigkeit in der etwa in einem Zellmodell untersuchten Fibrillenprobe. In anderen Fällen nutzen wir das Gerät, um bestimmte Eigenschaften von Fibrillenproben aufzuklären etwa ihre Händigkeit oder um Fibrillenproben unterschiedlich modifizierter Polypeptidketten zu vergleichen und so Rückschüsse auf das Aggregationsverhalten zu ziehen. Die vielleicht wesentlichsten Beobachtungen, die wir mit dem angeschafften TEM gewonnen haben, sind allerdings in den beiden Publikationen von Annamalai et al 2016 & 2017 beschrieben. Hier konnten wir mittels TEM zeigen, dass die einzelnen in einem Patienten oder erkrankten Tier unterschiedlich strukturiert sind. Dies war zuvor bei Fibrillen aus dem Reagenzglas bekannt – für pathologische Fibrillen allerdings umstritten. In der Arbeit von Annamail et al. 2016 konnte allerdings der Polymorphismus der für Fibrillen aus unterschiedlichen Krankheiten, Geweben und Organismen klar belegt werden. Die zweite Arbeit geht dann noch einen Schritt weiter und zeigt, dass gleichartige Fibrillenmorphologien in verschiedenen Geweben des gleichen Patienten nachgewiesen werden können. Das heißt, dass es Mechanismen geben muss, die die einer gleichartigen Fibrillenstruktur in einem Patienten oder erkrankten Tier führen.
Publications
- Cryo-EM reveals the steric zipper structure of a light chain-derived amyloid fibril. Proc Natl Acad Sci U.S.A. 113, 6200-6205 (2016)
Schmidt A, Annamalai K, Schmidt M, Grigorieff N, Fändrich M
(See online at https://doi.org/10.1073/pnas.1522282113) - Hydrostatic pressure increases the catalytic activity of amyloid fibril enzymes. Angewandte Chemie Int. Ed 55, 12412–12416 (2016)
Luong TQ, Erwin N, Neumann M, Schmidt A, Loos C, Schmidt V, Fändrich M, Winter R
(See online at https://doi.org/10.1002/anie.201605715) - Polymorphism of amyloid fibrils in vivo. Angewandte Chemie Int. Ed. 55, 4822–4825 (2016)
Annamalai K, Gührs KH, Koehler R, Schmidt M, Michel H, Loos C, Gaffney PM, Sigurdson CJ, Hegenbart U, Schönland S, Fändrich M
(See online at https://doi.org/10.1002/anie.201511524|) - Cell-to-cell transfer of SAA1 protein in a cell culture model of systemic AA amyloidosis. Sci Rep 7, 45683 (2017)
Claus S, Puscalau-Girtu I, Walther P, Syrovets T, Simmet T, Haupt C, Fändrich M
(See online at https://doi.org/10.1038/srep45683) - Common Fibril Structures Imply Systemically Conserved Protein Misfolding Pathways In Vivo. Angewandte Chemie Int. Ed 56, 7618–7622 (2017)
Annamalai K, Liberta F, Vielberg M-T, Close W, Lilie H, Gührs K-H, Schierhorn A, Koehler R, Schmidt A, Haupt C, Hegenbart U, Schönland S, Schmidt M, Groll M, Fändrich M
(See online at https://doi.org/10.1002/anie.201701761) - Generation and Characterization of Virus- Enhancing Peptide Nanofibrils Functionalized with Fluorescent Labels. Bioconjugate Chem. 28, 1260−1270 (2017)
Rode S, Hayn M, Röcker A, Sieste S, Lamla M, Markx D, Meier C, Kirchhoff F, Walther P, Fändrich M, Weil T, Münch J
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.bioconjchem.7b00079) - Influence of C-terminal truncation of murine Serum amyloid A on fibril structure. Sci Rep. 7, 6170 (2017)
Rennegarbe M, Lenter I, Schierhorn A, Sawilla R, Haupt C
(See online at https://doi.org/10.1038/s41598-017-06419-1)
