Molekulare Grundlagen der Thermostabilität von Proteinen
Final Report Abstract
Die biologische Funktion fast aller Proteine hängt von der geordneten dreidimensionalen Struktur ab, die sie unter physiologischen Bedingungen einnehmen. Verlust dieser Struktur durch Denaturierung führt zu Funktionsverlust und biologischem Abbau. Bei einigen Proteinen kann es auch zur Ausbildung metastabiler Formen unter Ausbildung proteaseresistenter Aggregate (Amyloid) kommen, welche sich in Geweben ablagern und die Kennzeichen degenerativer Erkrankungen von Mensch und Tier sein können. Die Analyse der molekularen Faktoren, welche die native Form von Proteinen stabilisieren, ist daher von großem theoretischen und praktischen Interesse. Die native Struktur eines Proteins stellt ein Energieminimum dar, jedoch ist die entsprechende freie Enthalpie der Stabilisierung in der Regel sehr klein. Diese geringe thermodynamische Stabilität resultiert aus einer Vielzahl einzelner atomarer Wechselwirkungen, die sich im gefalteten Protein teilweise kompensieren. In diesem Projekt sollten insbesondere elektrostatische (Coulomb-) Wechselwirkungen auf der Proteinoberfläche hinsichtlich ihrer Bedeutung für die Stabilisierung der nativen Proteinstruktur untersucht werden. Als Modelle für diese Studie wurden die eng verwandten kleinen Kälteschockproteine Bs-CspB und Bc-Csp verwendet, die sich in ihrer Thermostabilität um fast 30 °C unterscheiden, obwohl ihre Aminosäuresequenzen lediglich an zwölf von insgesamt 67 Positionen abweichen. Durch systematische Mutagenese der Proteine, Analyse ihrer thermodynamischen Stabilität und hoch aufgelöste Kristall Strukturanalysen wurde nachgewiesen, dass lediglich zwei Aminosäureaustausche erforderlich sind, um eine Variante von Bs-CspB zu erzeugen, deren Stabilität der des ßc-Csp entspricht. Umgekehrt lässt sich Bc-Csp durch die reversen Mutationen um den gleichen Betrag destabilisieren. Die Mutationen ändern das Ladungsmuster auf der Proteinoberfläche in charakteristischer Weise: Stabilere Proteinvarianten zeichnen sich durch eine gleichmäßigere Ladungsverteilung aus. Die Studien an den bakteriellen Kälteschockproteinen erlauben den Schluss, dass eine signifikante Stabilisierung von Proteinen durch eine Mutagenese möglich ist, welche die Ladungsverteilung an der Proteinoberfläche optimiert. Dabei scheinen solche Austausche von Aminosäuren besonders geeignet zu sein, die destabilisierende Kontakte zwischen geladenen Seitengruppen im Ausgangsprotein entfernen. Es wird damit ein genereller Weg zur Erzeugung stabilisierter Proteinformen für biotechnologische und pharmakologische Anwendungen aufgezeigt.
Publications
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