Characterizing the Effect of Substitutions Mimicking Deimination and Phosphorylation of 18.5-kDa Myelin Basic Protein (MBP) on its Structure and Dynamics in Myelin-Like Membranes
Final Report Abstract
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. In diesem Projekt standen die Charakterisierung und das bessere Verständnis zweier Zusammenhänge im Mittelpunkt: i) der PTM-induzierten Veränderungen der Proteinstruktur und –dynamik sowie Protein-Lipid Wechselwirkungen in Myelin-artigen Membranen sowie ii) der Abhängigkeit all dieser Punkte von der Lipidzusammensetzung. Dafür wurden in einem ersten Schritt Messungen der Lipidbindung von bovinem MBP (eine Mischung verschiedener Ladungs- und Größenvarianten) bzw. Ladungsisoformen (rmC1 mit Ladung +19 und rmC8 mit +13) mit allen Lipiden einer Myelin-artigen Lipidmonoschicht an der Wasser-Luft-Grenzfläche (in Filmwaagemassungen am Langmuirtrog und Fluoreszenzmikroskopie an einem Langmuirtrog) durchgeführt. Dabei lässt sich zeigen, dass alle MBP-Formen in der natürlichen Lipidzusammensetzung in die Grenzbereiche von Cholesterol/Sphingomyelinreichen Regionen und Phospholipid-reichen bindet. Durch das Fehlen von 3% nativ vorkommendem Sphingomyelin ergibt sich ein anderes Bild und nur noch die durch PMs ladungsreduzierte Variante rmC( bindet in diese Bereiche, was eine Korrelation zeigen könnte mit dem Verlauf von MS, da in MS Patienten und dem heranwachsenden Gehirn SM abgereichert vorkommt und rmC8 erhöht vorkommt im Vergleich zum gesunden Gehirn eines Erwachsenen. In einem zweiten Teil wurde v.a. auch mit Elektronenspinresonanz (ESR/EPR) Spektroskopie, dynamischer Lichtstreuung (DLS) und cryo- Transmissionenselektronenmikroskopie (cryo-TEM) an großen unilamellaren Vesikeln mit dem Ziel, ein detailliertes Modell der MBP-vermittelten Wechselwirkung zwischen myelinartigen Membranen als Funktion der Lipidzusammensetzung, insbesondere des Cholesterolgehaltes, zu erhalten. Diese Studien zeigen eine optimale Mischung aus Stabilität und Dynamik der Myelinmembranen mit MBP beim nativen Cholesterolgehalt von 44%. In einem weiteren Teilprojekt wurde es erreicht, die sehr anspruchsvolle Lipidmischung (v.a. aufgrund des hohen Cholesterolgehaltes) in eine Polymer-verkapselte Lipid-Nanodisc zu rekonstituieren und es damit zu erreichen, ein Modellsystem mit Durchmessern um die 20 nm zu erhalten, mit dem weitere Studien zur Myelinbildung in vitro hervorragend und sehr systematisch möglich werden.
Publications
- Interaction of myelin basic protein with myelin-like lipid monolayers at the air-water interface. Langmuir, 34, 6095-6108 (2018)
Katharina Widder, Jennica Träger, Andreas Kerth, George Harauz, Dariush Hinderberger
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b00321) - Charge-dependent myelin basic protein-sphingomyelin interactions in myelin-like lipid monolayers. Biochim. Biophys. Acta - Biomembranes, 2,183077 (2020)
Katharina Widder, George Harauz, Dariush Hinderberger
(See online at https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2019.183077) - Effect of cholesterol and myelin basic protein (MBP) content on lipid monolayers mimicking the cytoplasmic membrane of myelin. Cells, 9(3), 529 (2020)
Jennica Träger, Katharina Widder, Andreas Kerth, George Harauz, Dariush Hinderberger
(See online at https://doi.org/10.3390/cells9030529) - A Nanoscale Model System for the Human Myelin Sheath. Biomacromolecules 22, 3901–3912 (2021)
Matthias Hoffmann, David Haselberger, Tommy Hofmann, Lisa Müller, Kevin Janson, Annette Meister, Manabendra Das, Carolyn Vargas, Sandro Keller, Panagiotis Kastritis, Carla Schmidt, Dariush Hinderberger
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.biomac.1c00714)
