Einfluss der Helix 1 und des β-Faltblattes auf die Aggregation des Prionproteins und seine Amyloidstruktur
Role of Helix 1 and the β-sheet in prion protein aggregation and its amyloid structure
Jens Watzlawik
Doctoral thesis
Date of Examination:
2007-01-18
Date of issue:
2007-02-07
Advisor:
Schulz-Schaeffer, Walter PD Dr.
Referee:
Fritz, Hans-Joachim Prof. Dr.
Referee:
Hardeland, Rüdiger Prof. Dr.
Persistent Address: http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-AC47-5
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Name:
watzlawik.pdf
Size:
11,8 MB
Format:
PDF
Description:
Dissertation
Abstract
English
Prion diseases are caused by the aggregation of the native α-helical prion protein PrPC into its pathological β-sheet-rich isoform PrPSc. In current models of PrPSc, helix1 is assumed to be preferentially converted into β-sheet during aggregation of PrPC. This was supported by the NMR structure of PrPC since, in contrast to the isolated helix1, helix2 and helix3 are connected by a small loop and are additionally stabilized by an interhelical disulfide bond. However, helix1 is extremely hydrophilic and has a high helix propensity. This prompted us to investigate the role of helix1 in prion aggregation using humPrP23-159 including helix1 (144-156) compared with the C-terminal-truncated isoform humPrP23-144 corresponding to the pathological human stop mutations Q160Stop and Y145Stop, respectively. Most unexpectedly, humPrP23-159 aggregated significantly faster compared with the truncated fragment humPrP23-144, clearly demonstrating that helix1 is involved in the aggregation process. However, helix1 is not resistant to digestion with proteinase K in fibrillar humPrP23-159, suggesting that helix1 is not converted to β-sheet. This is confirmed by Fourier transformation infrared spectroscopy since there is almost no difference in β-sheet content of humPrP23-159 fibrils compared with humPrP23-144. Additionally β-strand S2 increases strongly the aggregation of humPrP23-173 comparing to humPrP23-159. In conclusion, we provide strong direct evidence that in contrast to earlier assumptions helix1 is not converted into β-sheet during aggregation of PrPC to PrPSc.
Keywords: prion; aggregation; helix 1; β-sheet
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Prionerkrankungen werden durch die Aggregation des nativen α-helikalen Prionproteins PrPC in seine pathologische Isoform PrPSc verursacht. In derzeitigen PrPSc-Strukturmodellen wird vermutet, dass die Helix 1 bevorzugt in ein β-Faltblatt bei der Aggregation des Prionproteins umfaltet. Diese Annahme wird durch die NMR-Struktur von nativem PrPC gestützt, da im Kontrast zur isolierten Helix 1, die Helices 2 und 3 nur über einen kurzen Loop miteinander verbunden sind und zusätzlich durch eine intrahelikale Disulfidbrücke stabilisiert werden. Allerdings ist Helix 1 sehr hydrophil und besitzt eine starke Tendenz zur Ausbildung helikaler Strukturen. Diese Beobachtungen führten zur Untersuchung der Rolle der Helix 1 bei der Aggregation des Prionproteins in humPrP23-159 einschliesslich Helix 1 (144-156) verglichen mit einer C-terminal trunkierten Isoform humPrP23-144, die beide mit einem Subtyp der humanen Prionerkrankungen, des Gerstmann-Sträussler-Scheinker-Syndroms, assoziiert sind. Unerwartet aggregierte humPrP23-159 signifikant schneller als humPrP23-144, was den aggregationsbeschleunigenden Einfluss der Helix 1 klar belegt. Interessanterweise ist die Helix 1 allerdings nicht resistent gegenüber Proteinase K-Verdau in fibrillärem humPrP23-159, was andeutet, dass Helix 1 nicht in ein β-Faltblatt umgewandelt wird. Dies wird bestätigt durch quantitative FTIR-Spektroskopie, da nahezu kein Unterschied im β-Faltblattgehalt zwischen fibrillärem humPrP23-159 und humPrP23-144 detektiert werden konnte. Zusätzlich konnte ein stark aggregationsbeschleunigender Effekt des β-Stranges S2 bei der Aggregation von humPrP23-173 im Vergleich zu humPrP23-159 aufgezeigt werden. Zusamenfassend erscheint es sehr evident, dass im Gegensatz zu früheren Annahmen Helix 1 bei der Konversion von PrPC in PrPSc nicht in ein β-Faltblatt umgefaltet wird.
Schlagwörter: Prionprotein; Aggregation; Helix 1; β-Faltblatt
