Untersuchungen zur Aggregation des ALS-relevanten TDP-43(307-347)
Studies on the aggregation of the ALS-related TDP-43(307-347)
by Vanessa Reusche
Date of Examination:2022-02-25
Date of issue:2022-12-12
Advisor:Prof. Dr. Franziska Thomas
Referee:Prof. Dr. Franziska Thomas
Referee:Prof. Dr. Claudia Steinem
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Format:PDF
Abstract
English
Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal, multicausal, neurodegenerative disease for which there is so far no cure. Abnormal cytoplasmic aggregates of TDP-43, a multifunctional RNA-binding protein, are a pathological hallmark of ALS. The largely structurally disordered C-terminal domain (CTD) adopts a key role in aggregation and contains the majority of all ALS-relevant mutations. In this work, different influences on the aggregation of the highly conserved subdomain TDP-43(307−347), which is localized in the amyloidogenic core region of the CTD, were investigated to gain a better understanding of the mechanisms of aggregation and to develop a potential therapeutic strategy. TDP-43(307−347) contains seven oxidation-sensitive methionine residues. To investigate the effect of oxidative stress on the aggregation of TDP-43(307−347), methionine was substituted by methionine sulfoxide in varying quantities and at different positions. Generally, aggregation was slowed down with an increasing degree of oxidation up to inhibition at complete oxidation. However, a clear dependence of the oxidised position on the aggregation was observed. Oxidation of some methionine residues led to significantly accelerated aggregation, whereas oxidation of other residues delayed the aggregation process. In addition, the influence of five different ALS-relevant mutations on aggregation was investigated. Again, a significant dependence on the position within the peptide sequence as well as on the substituted amino acid residue was observed. The influence of different artificial membrane systems on aggregation of TDP-43(307−347) was also of interest. TDP-43(307−347) associated with membranes mimicking the inner mitochondrial membrane (IMM) lead to a significantly enhanced aggregation. In contrast, complete oxidation of methionine residues inhibited the association without inducing aggregation. In addition, the influence of amphipathic α-helical peptides (AHPs) with varying hydrophobic surface areas on the aggregation was investigated. They were to be used as membrane mimics to form a helical bundle with TDP-43(307−347), thereby inhibiting self-association and aggregation. However, none of the selected AHPs showed inhibition of aggregation. In summary, this work established a deeper understanding of the aggregation of TDP-43(307−347), which should allow the development of potential therapeutic strategies for TDP-43 proteinopathies.
Keywords: aggregation-prone peptides; TDP-43; methionine sulfoxide; oxidative stress; amyotrophic lateral sclerosis; peptide-membrane interaction
German
Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist eine tödliche, multikausale, neurodegenerative Erkrankung, für die es bisher keine Heilungsmethode gibt. Abnormale zytoplasmatische Aggregate von TDP-43, einem multifunktionalen RNA-bindenden Protein, sind ein pathologisches Hauptmerkmal von ALS. Die größtenteils strukturell ungeordnete C-terminale Domäne (CTD) übernimmt eine Schlüsselrolle bei der Aggregation und enthält den Großteil aller ALS-relevanten Mutationen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unterschiedliche Einflüsse auf die Aggregation der hochkonservierten Subdomäne TDP-43(307−347) untersucht, die in der amyloidogenen Kernregion der CTD lokalisiert ist. Ziel war es, ein besseres Verständnis über die Mechanismen der Aggregation zu erlangen, um einen möglichen Therapieansatz zu entwickeln. TDP-43(307−347) enthält sieben oxidationsempfindliche Methionin-Reste. Um den Einfluss von oxidativem Stress auf die Aggregation von TDP-43(307−347) zu untersuchen, wurde Methionin in variierender Anzahl und an unterschiedlichen Positionen durch Methioninsulfoxid substituiert. Im Großen und Ganzen verlangsamte sich die Aggregation mit steigendem Oxidierungsgrad bis hin zur Inhibierung bei vollständiger Oxidation. Allerdings konnte zusätzlich eine eindeutige Abhängigkeit von der oxidierten Position auf die Aggregation beobachtet werden. So wurde durch die Oxidation an einigen Positionen die vollständige Aggregation maßgeblich beschleunigt, wohingegen an anderen Positionen eine Verzögerung der Aggregation beobachtet wurde. Darüber hinaus wurde der Einfluss von fünf unterschiedlichen ALS-relevanten Mutationen auf die Aggregation untersucht. Auch hier konnte eine signifikante Abhängigkeit von der Position sowie dem substituierten Aminosäurerest beobachtet werden. Zusätzlich war der Einfluss von verschiedenen artifiziellen Membransystemen auf die Aggregation von Interesse. TDP-43(307−347) assoziierte an Membranen, die die innere Mitochondrien-membran (IMM) imitierten, wodurch die Aggregation signifikant beschleunigt wurde. Die vollständige Oxidation der Methionin-Reste hingegen inhibierte die Assoziation und Aggregation. Des Weiteren wurde der Einfluss von amphipathischen α helikalen Peptiden (AHPs) mit unterschiedlich großer hydrophober Oberfläche auf die Aggregation untersucht. Sie sollten als Membranmimetikum eingesetzt werden, um ein Helixbündel mit TDP-43(307−347) zu bilden und dadurch dessen Selbstassoziation und Aggregation zu inhibieren. Jedoch zeigte keines der gewählten AHPs eine Inhibierung der Aggregation. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit ein tieferes Verständnis für die Aggregation von TDP-43(307−347) erlangt werden. Dies bildet eine Grundlage für die Entwicklung möglicher Therapieansätze für TDP-43-Proteinopathien.
Schlagwörter: aggregationsempfindliche Peptide; TDP-43; Methioninsulfoxid; oxidativer Stress; amyotrophe Lateralsklerose; Peptid-Membran-Interaktion