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High-resolution characterization of structural changes involved in prion diseases and dialysis-related amyloidosis

dc.contributor.advisorZweckstetter, Markus Prof. Dr.de
dc.contributor.authorSkora, Lukasz Stanislawde
dc.date.accessioned2012-04-16T14:52:43Zde
dc.date.available2013-01-30T23:50:50Zde
dc.date.issued2009-10-16de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-AD78-Dde
dc.description.abstractProteinaggregation ist die Ursache vieler Krankheiten, wie Diabetes Mellitus Typ 2, Parkinsonsche, Alzheimersche und Huntingtonsche Krankheit, spongiforme Encephalopathien, Stauungsinsuffizienz und Dialyse-assoziierte Amyloidose. All diesen Störungen liegt eine Proteinfehlfaltung zugrunde, die zur Bildung von Fibrillen und Ablagerung amyloider Plaques an verschiedenen Stellen im Körper führt.Aufgrund des hohen Molekulargewichts von Fibrillen und der immanenten Heterogenität von Zwischenzuständen im Entstehungsprozess stellt die Untersuchung solcher Aggregate eine besondere Herausforderung für einen Strukturbiologen dar. Die Kernresonanzspektroskopie (nuclear magnetic resonance NMR) bietet jedoch eine einzigartige Möglichkeit, solche Aggregationsprozesse in beliebigen Stadien zu untersuchen vom Monomer bis hin zur fibrillären Form.Unter Verwendung verschiedener NMR-Techniken werden im Rahmen dieser Arbeit strukturelle Veränderungen untersucht, die an Prionenerkrankungen und Dialyse-assoziierter Amyloidose beteiligt sind.Die Ursache von Prionenerkrankungen liegt in der Aggregation des nativen α-helikalen Prionproteins PrPC in seine pathologische β-faltblattreiche Isoform PrPSc. Obwohl der Umwandlungsmechanismus nach wie vor unklar ist, sind bereits mehrere Modelle für PrPSc vorgeschlagen worden. Die meisten beruhen auf der Annahme, dass sich während der Aggregation des Prionproteins Helix 1 in ein β-Faltblatt umfaltet. Im 3. Kapitel der Arbeit wird unter Verwendung verschiedener Stop-Mutanten des humanen Prionproteins gezeigt, dass keine solche Umfaltung auftritt. Darüber hinaus wird gezeigt, dass obwohl Helix 1 die Aggregation des Proteins unterstützt, sie von Proteinase K verdaut wird und somit nicht als β-Faltblatt vorliegt. Untersuchungen der Lösungsmittelinteraktion von PrP-Fibrillen zeigen eine erhöhte Flexibilität der Helix 1 und des β-Faltblattes 2 und führen zur Identifizierung einer kleinen und starren fibrillären Kernstruktur, bestehend aus 4 β-Faltblättern. Wichtig hierbei ist, dass Aminosäuren tief im Inneren dieser Kernstruktur der humPrP Fibrillen gefunden werden, die für die Artenbarriere und den M/V Polymorphismus am Codon 129 verantwortlich sind. Außerdem wird gezeigt, dass die fibrillären Formen einiger Stop-Mutanten des humanen Prionproteins gemeinsame strukturelle Merkmale aufweisen. Schließlich wird aufgrund der vorhandenen Daten ein Model für PrPsc vorgeschlagen.Die zweite Proteinfehlfaltungs-Krankheit, die hier untersucht wird, ist die Dialyse-assoziierte Amyloidose. Die Krankheit wird bei Patienten beobachtet, die unter chronischer Niereninsuffizienz leiden und einer Langzeithämodialyse unterliegen, und wird verursacht durch die Aggregation des beta-2-Microglobulins (hβ2m) der leichteren Kette des Typ I Haupt-Histokompatibilitätskomplexes. Aufgrund des niedrigen Molekulargewichtes (11 kDa) und des gut untersuchten siebensträngigen β-sandwich Faltungsmotivs betrachtet man hβ2m als ein gutes Modell, um Amyloiderkrankungen zu untersuchen. Im 4. Kapitel der Arbeit werden strukturelle Unterschiede zwischen zwei säuredenatuierten Zwischenzuständen hβ2m aufgezeigt, und experimentelle Daten werden vorgestellt die darauf hindeuten, dass die Dynamik der Vorläuferensemble die Morphologie der resultierenden Fibrillen beeinflusst. Darüber hinaus konnten neue Informationen bezüglich der Lösungsmittelinteraktion der amyloiden Aggregate gewonnen werden und flexible Bereiche innerhalb der Fibrillen des hβ2m identifiziert werden.Unabhängig von den oben genannten Projekten wird eine Untersuchung der elektrostatischen Interaktionen von Molekülorientierungen intrinsisch ungefalteter Proteine im Anhang A in Form eines Nachdruckes gezeigt. In der NMR-Spektroskopie werden schwache Molekülorientierungen verwendet, um dipolare Kopplungen beobachten zu können, welche als sensibler Gradmesser für die Struktur und Dynamik eines Biomoleküls gelten. Es wird gezeigt, dass die Orientierung ungefalteter Proteine maßgeblich von elektrostatischen Wechselwirkungen abhängt, mit der Ionenstärke in der Lösung skaliert und mittels eines vereinfachten elektrostatischen Modells vorhergesagt werden kann.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/2.0/de/de
dc.titleHigh-resolution characterization of structural changes involved in prion diseases and dialysis-related amyloidosisde
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedHigh-resolution characterization of structural changes involved in prion diseases and dialysis-related amyloidosisde
dc.contributor.refereeJahn, Reinhard Prof. Dr.de
dc.date.examination2009-08-07de
dc.subject.dnb570 Biowissenschaften, Biologiede
dc.description.abstractengProtein aggregation is the cause of several human diseases such as diabetes mellitus type 2, Parkinson s disease, Alzheimer s disease, Huntington s disease, spongiform encephalopathies, congestive heart failure or dialysis-related amyloidosis. All of these disorders result from protein misfolding which leads to fibrillization and deposition of amyloid plaques in different parts of the body.Due to high molecular weight of the amyloid fibrils and intrinsic heterogeneity of the intermediate states, protein aggregation is a very challenging field of study for the structural biologist. However, nuclear magnetic resonance (NMR) provides a unique possibility to investigate aggregation at all stages, from the monomer to the fibrils.In this work, structural changes involved in prion diseases and dialysis-related amyloidosis are investigated with the help of various NMR techniques.Prion diseases are caused by the aggregation of the natively α-helical prion protein PrPC into its pathological β-sheet-rich isoform PrPSc. While the mechanism of conversion remains unclear, several models of PrPSc have been proposed. Most of them originate from the assumption that, upon aggregation of the prion protein, helix 1 is converted into β-sheet. In Chapter 3, using different stop mutants of the human prion protein, it is shown that no such conversion occurs. Moreover, evidence is provided that while helix 1 region promotes aggregation of the protein, it is not resistant to proteinase K digestion and therefore not converted into a β-strand. Investigation of solvent protection of PrP fibrils reveals increased flexibility of helix 1 and β-strand 2 regions and identifies a small, rigid fibrillar core comprising four β-strands. Importantly, residues responsible for the species barrier and the M/V polymorpshism at codon 129 are found to be deeply buried in the core of humPrP fibrils. Furthermore, it is shown that the fibrillar forms of different stop mutants of the human prion protein share common structural features. Finally, based on the available data a model for PrPSC is proposed.The second protein misfolding diseases studied here is dialysis related amyloidosis. The disease is observed in patients with chronic renal failure undergoing long-term hemodialysis and is caused by aggregation of beta-2-microglobulin (hβ2m) - the light chain of the type I major histocompatibility complex. Due to its low molecular weight (11kDa) and a well-defined seven-stranded β-sandwich native fold, hβ2m is considered a very good model for studying all amyloid disorders. In Chapter 4, structural differences between two acid-denatured intermediate states of hβ2m are shown, and experimental data is presented that strongly suggests an effect of the dynamics of the precursor ensembles on the morphology of the resulting fibrils. Furthermore, new information on solvent protection of the amyloid aggregates is provided and flexible regions within the fibrils of hβ2m are identified.Independent of the above-mentioned projects, a study on the effects of electrostatic interactions on molecular alignment of intrinsically unstructured proteins is presented in form of a reprint in Appendix A. Weak molecular alignment is required in NMR for observation of dipolar couplings, which are a sensitive probe of the structure and dynamics of biomolecules. It is demonstrated that alignment of disordered proteins depends critically on electrostatic interactions, is scaled with the ionic strength of the solution, and can be predicted using a simplified electrostatic model.de
dc.contributor.coRefereeGriesinger, Christian Prof. Dr.de
dc.contributor.thirdRefereeJovin, Thomas Dr.de
dc.subject.topicMathematics and Computer Sciencede
dc.subject.gerNMRde
dc.subject.gerAmyloidde
dc.subject.gerPrionerkrankungende
dc.subject.gerDialyse-assoziierte Amyloidosede
dc.subject.engNMRde
dc.subject.engamyloidde
dc.subject.engprionde
dc.subject.engdialysis-related amyloidosisde
dc.subject.bk35.25de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-2240-7de
dc.identifier.purlwebdoc-2240de
dc.affiliation.instituteBiologische Fakultät inkl. Psychologiede
dc.subject.gokfullWCC 000: Molekulare Biophysik. Biophysikalische Chemiede
dc.identifier.ppn617777896de


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