Der Übergangszustand der Proteinaggregation

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Buell
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 345759759

Proteine sind die vielseitigsten und komplexesten Moleküle die wir kennen. Die meisten biologischen Prozesse sind auf Proteine mit genau definierten Strukturen angewiesen, und Proteinmoleküle falten sich in vielen Fällen spontan in diese Strukturen.Die Mechanismen der Proteinfaltung wurden in den letzten 20 Jahren sehr intensiv untersucht. Vor allem Dank der Fortschritte in spektroskopischen Techniken und Methoden wie der Phi-Wert Analyse, einer Kombination genauer kinetischer und thermodynamischer Messungen der Faltungsreaktion, wurden deren Mechanismen mit einer Auflösung bis zur einzelnen Aminosäure aufgeklärt, sowie die Übergangszustände der Faltung bestimmt.Jedoch können sich Proteine nicht nur in ihre native Struktur falten, sondern auch aggregieren, und dabei Amyloidfibrillen bilden, die ein Merkmal mehrerer schwerer neurodegenerativer Erkrankungen, wie der Alzheimerschen und Parkinsonschen Krankheiten, sind. Gegenwärtig verstehen wir die grundlegen Mechanismen dieser Aggregationsprozesse viel weniger gut als die Faltung der Proteine. Dieses fehlende Verständnis ist teils durch die Komplexität des Aggregationsprozesses bedingt, der mehrere Einzelschritte, wie Nukleation, Wachstum und Autokatalyse umfasst, teils aber auch dadurch dass noch keine passenden experimentellen Methoden entwickelt wurden.In diesem Forschungsvorhaben beabsichtige ich die Entwicklung einer umfassenden Herangehensweise um diesen Themenkomplex voranzutreiben. Die experimentelle Strategie die ich vorschlage besteht darin, die bei der Untersuchung der Proteinfaltung so erfolgreiche Phi-Wert Analyse auf die Misfaltung und Aggregation von Proteinen anzupassen. Von all den einzelnen Prozessen die bei der Aggregation eine Rolle spielen ist dies nur für das Wachstum der Aggregate möglich. Dabei sollen diese Versuche mit einer kleinen Proteindomäne (PI3K-SH3) durchgeführt werden, da es zu SH3 Domänen schon detailierte Modelle des Faltungsmechanismus gibt, mit denen ein neugewonnenes Modell der Proteinaggregation direkt verglichen werden kann. Das Ziel ist dabei strukturelle Informationen über den Übergangszustand, den Zustand höchster Energie zwischen dem momomeren und dem aggregierten Protein, zu gewinnen. Diese Methodik wird es daher zum ersten Mal erlauben die Grenzen unseres mechanistischen Verständnisses der Proteinaggregation bis zur einzelnen Aminosäure zu erweitern.Des weiteren soll in diesem Projekt auch eine neue experimentelle Hochdurchsatzstrategie entwickelt werden, mit der in Zukunft noch deutlich mehr (hunderte, statt Dutzende) von Proteinvarianten untersucht werden können. Das langfristige Ziel dieser Forschung ist es, die genauen Aggregationsmechanismen verschiedener Proteine aufzuklären, um den Ursprung dieses allgemeinen Phänomens besser zu verstehen und kontrollieren zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Quartzkristallmikrowaage