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Bader, Benedikt (2008): Einzelmolekülbasierte Aggregationsanalyse von Alpha-Synuclein und Tau-Protein. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Die Synucleinopathien sind eine Gruppe neurodegenerativer Erkrankungen, die durch pathologische Ablagerungen des Alpha Synucleins charakterisiert sind. Sie umfassen unter anderem den Morbus Parkinson, die Demenz mit Lewy-Körperchen, die multiple Systematrophie und die Lewy Körperchen Variante des auch durch Ablagerungen des Tau Proteins gekennzeichneten Morbus Alzheimer. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Analyse von Aggregationsprozessen des Alpha Synucleins durch einzelmolekülspektroskopische Verfahren und die Entwicklung neuer Techniken zur Analyse von Koaggregationsprozessen verschiedener Proteine. Hierzu wurden Synuclein und Tau Proteine rekombinant in E. coli hergestellt, aufgereinigt, durch Gelelektrophorese und Western Blot charakterisiert und Aggregationsprozesse unter in vitro Bedingungen untersucht. Rekombinantes Alpha Synuclein kann unter bestimmten Bedingungen in vitro zu fibrillären, amyloiden Strukturen aggregieren. Diese Aggregate ließen sich durch eine spezifische Änderung der Thioflavin T Fluoreszenz spektroskopisch nachweisen, mittels Elektronenmikroskopie darstellen, und zeichneten sich durch partielle Resistenz gegen die Einwirkung der Serin Protease Proteinase K aus. Durch Einbau von homologen Sondenmolekülen, die zuvor mit einer fluoreszenten Gruppe kovalent konjugiert wurden, ließ sich die Fibrillenbildung auch mit einzelmolekülbasierten, konfokalen, fluoreszenzspektroskopischen Analyseverfahren wie der Kreuzkorrelationsanalyse und der SIFT-Methode (engl. Scanning for Intensely Fluorescent Targets) darstellen. Der Nachweis der Fibrillenbildung war durch die fluoreszenzspektroskopischen Verfahren 100 fach sensitiver möglich. Im Vergleich mit nicht amyloidogenen Proteinen wie Beta Synuclein und Serum Albumin konnte zudem die Spezifität der Aggregation gezeigt werden. Bei neurodegenerativen Erkrankungen findet sich zum Teil die Beteiligung mehrerer amyloidogener Proteine am pathologischen Prozess. Durch die Möglichkeit der simultanen Anregung verschiedener Fluoreszenzsonden bei verschiedenen Wellenlängen und der Differenzierung des emittierten Fluoreszenzsignals konnten Koaggregationsprozesse in heterogenen Systemen mit Hilfe der Einzelmolekülspektroskopie untersucht werden. Es zeigte sich, dass Alpha Synuclein sowohl mit seinem Maushomolog, als auch mit den beiden humanen Parkinson-assoziierten Mutanten A30P und A53T gemischte Fibrillen bildet, während Beta Synuclein einen hemmenden Einfluss auf die Alpha Synuclein Fibrillenbildung aufwies. Mit Hilfe des zweifarbigen Systems ließ sich auch der Anlagerungsprozeß von Alpha Synuclein Monomeren an vorbestehende, amyloide Alpha Synuclein Aggregate darstellen, was einen weiteren Einblick in die molekulare Pathophysiologie der Synucleinopathien bot. Es wird vermutet, dass bereits Oligomerformationen einen neurotoxischen Effekt besitzen. Die besondere Sensitivität der konfokalen Einzelmolekülspektroskopie erlaubte ebenfalls die Detektion von frühen oligomeren Aggregaten des Alpha Synucleins sowie des Tau Proteins. Es konnte gezeigt werden, dass Alpha Synuclein bereits auf Oligomerebene heterogene Aggregate mit dem Tau Protein bildet, was durch die Tatsache, dass es sich bei beiden um intrazelluläre Proteine handelt, eine potentielle pathophysiologische Relevanz besitzt. Im Rahmen von Versuchsreihen zum Einfluss von Liquor aus an verschiedenen neurodegenerativen Erkrankungen leidenden Patienten, ließen sich Hinweise auf eine mögliche neuroprotektive Funktion des Liquors gewinnen. Dieser zeigte nach Gelfiltration in bestimmten Fraktionen deutlich aggregationshemmende Eigenschaften. Diese Fraktionen besitzen einen hohen Gehalt an Albumin. Zusammen mit in vitro gewonnenen Daten, die einen hemmenden Einfluss von Albumin auf die Aggregation des Alpha Synucleins zeigen, sind dies Hinweise, dass die protektive Eigenschaft an den Albumingehalt des Liquors gekoppelt ist. Das diagnostische Potential der entwickelten Messmethode verdeutlichten parallel durchgeführte Analysen von Influenza-Impfstoffpräparationen, in denen gezeigt werden konnte, dass sich Partikel mit unterschiedlichen Oberflächenepitopen auch in Mischungen differenzieren lassen. Durch den Einsatz von spezifischen fluoreszenzmarkierten Antikörpern ließen sich eindeutig bestimmte Influenzastämme anhand der Oberflächenepitop-Konfiguration identifizieren. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass die konfokale Einzelmolekülspektroskopie eine äußerst sensitive und hochdurchsatzfähige Nachweismethode zur Untersuchung der molekularen Vorgänge im Rahmen der Alpha Synucleinopathien darstellt, deren Potential sich nicht allein auf die Grundlagenforschung beschränkt, sondern auch diagnostische Möglichkeiten beinhaltet und eine neue Methode zur Suche von bisher noch nicht beschriebenen, pharmakologisch interessanten Strukturen bietet.