Zu einem hochaufgelösten Bild der Stabilität von Proteinablagerungen und deren Modulation in neurodegenerativen Erkrankungen: Visualisierung des Unsichtbaren durch Fluor-NMR-Dynamik

• Antragsteller: Nasrollah Rezaei-Ghaleh, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie ; Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 327959918

Neurodegenerative Erkrankungen wie die Alzheimer-Krankheit (AK) sind durch das Vorhandensein von Proteinablagerungen im Gehirn gekennzeichnet. In den letzten Jahren deuten mehrere Hinweise darauf hin, dass die Variation des Krankheitsphänotyps auf den molekularen Eigenschaften von Proteinablagerungen beruht. Es wird allgemein angenommen, dass die molekulare Stabilität von Proteinablagerungen die prionartige Ausbreitung der Proteinaggregation im Gehirn und den daraus resultierenden fortschreitenden Verlauf der neurodegenerativen Pathologie steuert. In diesem Projekt, das im Juni 2017 begann, habe ich Hochdruck-nuklearmagnetische Resonanzspektroskopie (NMR) in Kombination mit molekulardynamischer Simulation eingesetzt und die thermodynamische Stabilität von Amyloid-Beta (Ab) -Fibrillen untersucht, dem Hauptbestandteil seniler Plaques im Gehirn von AK-Patienten. Ich entwickelte zunächst einen integrativen Ansatz für die Untersuchung der atomistischen Bewegungen in ungeordneten Proteinen, welcher ein detailliertes Bild der Ab-Dynamik bei Umgebungsdruck als Referenz lieferte. Des Weiteren entwickelte ich eine Sauerstoff-NMR-Methode, die es ermöglicht, den allgemeinen Effekt von Hochdruck auf die Viskosität von seinen spezifischen Einflüssen auf die Dynamik von Ab und anderen Proteinen zu entwirren. Die bisher gesammelten Ergebnisse (i) zeigen eindeutig, dass die früh einsetzenden AK-bezogenen Mutationen die Stabilität von Ab-Aggregaten verändern, (ii) zeigen, wie sich die Stabilität von Ab-Aggregaten im Verlauf der Aggregation ändert, und (iii) schlagen mechanistische Rollen für die N- und C-terminalen Reste von Ab während der Aggregation vor. Weitere Projektfortschritte zur Erstellung eines hochauflösenden Bildes der Ab-Aggregation werden jedoch durch die inhärenten Eigenschaften der derzeit verwendeten Standardkerne wie 15N behindert. Bei der vorgeschlagenen Erneuerung des Projekts werden wir versuchen diese Einschränkungen zu überwinden, indem wir von konventionelle Kernen zu 19F-Spins wechseln und die einzigartigen Vorteile der Fluor-NMR nutzen. Insbesondere durch die Kombination von Fluor und paramagnetischem NMR kann der Austausch zwischen Ab-Monomeren und -Aggregaten in ein geeignetes NMR-zugängliches Regime gebracht werden. Darüber hinaus werden wir unsere kürzlich entwickelte NMR-Singulett-Methode, die den selektiven Zugang zu den sechs Glycinresten von Ab ermöglicht, nutzen und sie als zusätzliche Sonden Ab Aggregation einsetzen. Durch die Integration verschiedener komplementärer Sonden ermöglicht das vorgeschlagene Projekt die Erfassung der ansonsten unzugänglichen Austauschprozesse und verspricht ein atomares Auflösungsbild der Ab-Aggregation. Die mechanistischen Erkenntnisse aus diesem Projekt werden neue Wege eröffnen, um die toxische Aggregation von Ab zu hemmen und den pathologischen Verlauf von AK zu kontrollieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen