Charakterisierung des Effektes von Substitutionen, die Deiminierung und Phsophorylierung in 18.5-kDa basischem Myelinprotein (MBP) nachahmen, auf die Struktur und Dynamik von MBP in Myelin-artigen Membranen

• Antragsteller: Professor Dr. Dariush Hinderberger
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 320907857

Multiple Sklerose (MS) ist eine stark einschränkende neurologische Erkrankung mit hoher klinischer Variabilität und unbekanntem Auslöser. Die Krankheit ist geprägt von Demyelinisierung, dem Verlust der lipidreichen Myelinscheide der Nervenzellen im zentralen Nervensystem. Sie geht einher mit der Bildung von Plaques und fortschreitender neurologischer Degeneration. Die Ursachen für die Krankheit und die ersten Schritte auf molekularer Ebene sind nicht bekannt und existierende Therapien verzögern lediglich den Krankheitsverlauf für einen Teil der Betroffenen. Die Myelinstruktur wird durch basische Myelinproteine (MBP) stabilisiert, wobei die 18,5-kDa Isoform im erwachsenen Gehirn dominiert. MBP zählt zur Klasse der intrinsisch unstrukturierten Proteine (IUP/IDP) und hat eine Vielzahl von Funktionen: es kompaktiert die individuellen zytoplasmatischen Lipidschichten in der Myelinscheide, bildet Komplexe mit einer großen Zahl anderer Proteine, wobei es teilweise in Sekundärstrukturen faltet (folding upon binding) und für molekulare Erkennung und Schaltung eine Rolle spielt. Wie häufig bei IDPs werden all diese Interaktionen und Funktionen durch post-translationale Modifikationen (PTMs) moduliert. In MS Patienten ist ein signifikanter MBP-Anteil durch PTMs stark ladungsreduziert (von +19 zu +13) was wohl zur Demyelinisierung beiträgt. Die prototypische 18,5-kDa Isoform von MBP ordnet sich in Myelin selbst an und ist daher als das zentrale Protein der Netzwerkbildung anzusehen. Im Zentrum dieses Antrages stehen die Charakterisierung und das bessere Verständnis der PTM-induzierten Veränderungen der Proteinstruktur und -dynamik sowie Protein-Lipid Wechselwirkungen in myelinartigen Membranen. Unser Ansatz kombiniert Elektronenspinresonanz (ESR/EPR) und Infrarot-Reflexion-Absorption (IRRA) Spektroskopie mit dem Ziel, ein detailliertes Modell des MBP Konformations-Ensembles und Dynamik in myelinartigen Membranen als Funktion der Proteinladung zu erhalten. Zu diesem Zweck werden hier 8 rekombinante Mutanten des 18,5-kDa MBP (168 AS in Maus) hergestellt und mit dem kombinierten EPR/IRRA-spektroskopischen Ansatz untersucht. Nach Rekonstitution von MBP in Membranen wird die Tertiärstruktur und die Dynamik in der Membran mittels EPR Methoden (Multifrequenz CW EPR und DEER) untersucht. Durch IRRAS ist es möglich, die Ausrichtung und Sekundärstruktur an der Lipid/Luft-Grenzfläche zu charakterisieren. Damit werden Veränderungen in den Strukturensembles charakterisiert, die mit der Deiminierung und damit der Reduzierung der positiven Nettoladung einhergehen. Für verschieden MBP Isoformen soll so sowohl die Struktur und Dynamik als auch die Fähigkeit, Myelin zu kompaktieren, in Abhängigkeit von PTMs und der Membran-Lipid-Zusammensetzung sowie der Effekt von Zn2+-Kationen untersucht werden. Wir hoffen dadurch, zum Verständnis der molekularen Grundlagen der Demyelinisierung in MS beizutragen und dadurch neue Ansatzpunkte für die Suche nach neuen Therapien zu liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen