Dokument: Studies on the interaction of the cellular and the pathogenic isoforms of the prion protein in the presence of the lipid membrane

Titel:	Studies on the interaction of the cellular and the pathogenic isoforms of the prion protein in the presence of the lipid membrane
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=12064
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20090717-141745-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dr. Salwierz, Agnieszka [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 4,73 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 08.07.2009 / geändert 08.07.2009
Beitragende:	Prof. Dr. Riesner, Detlev [Gutachter] Prof. Dr. Willbold, Dieter [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Prion diseases are a group of neurological disorders that have been named after their extraordinary causative agent – the prion. Prions are remarkably different from other known disease-related agents and this difference lies in their composition. They are composed of a single protein, called therefore the prion protein. Although coding nucleic acid was excluded in the composition of the agent, the prions are able to replicate themselves and to cause a transmissible disease. Prion protein has been identified as a host-encoded protein that can exist in two different isoforms: non-infectious, cellular isoform – PrPC and infectious, disease-related isoform – PrPSc. They have the same amino acid sequence and their posttranslational modifications do not differ from each other. One way to differentiate between PrPC and PrPSc is analysis of their biophysical and chemical properties. PrPC shows mostly α-helical secondary structure, is soluble in mild detergents and sensitive against proteolytic digestion with a proteinase K (PK). PrPSc, on the other hand, contains an increased level of β-sheets, is present in form of insoluble aggregates and demonstrates a partial resistance to digestion with PK. One assumes that the mechanism underlying progression of prion diseases is the conversion of natural PrPC into infectious PrPSc. This process involves a change in the secondary conformation of PrPC and most probably takes place at the outer cell membrane or in its close proximity. In order to study in detail the character of interaction between natural PrPC and invading PrPSc a new in vitro system has been developed. In comparison with other in vitro systems, it successfully mimicked the in vivo situation by using following components: lipid membrane, membrane-anchored PrPC and infectious PrPSc. The application of a lipid membrane in form of a bilayer that composition was in good accordance with the natural microdomains, where PrPC is found, was the first step in the development of this system. In the second step a natural PrPC with all its posttranslational modifications was used. One of these modifications is a glycosyl-phosphatidylinositol (GPI) anchor. It was possible to attach PrPC via its anchor to the lipid membrane, mimicking the cellular positioning. This GPI-dependent anchoring opened a new possibility for further studies, namely the introduction of a third component. This step completed the simulation of the onset of prion diseases by adding infectious, highly purified PrPSc. All these components, brought together, created an unique and complex system with a high biological relevance. It could be demonstrated that invading PrPSc displayed a high specificity for a membrane-anchored PrPC. The specificity of this interaction was demonstrated by the fact that neither fibrillar PrPSc bound to another type of protein, i.e. ovalbumin, nor a different kind of fibrils were able to bind to anchored PrPC, i.e. insulin fibrils. This strong interaction that occurred at the surface of a lipid membrane could be seen as a first step in the membrane-dependent conversion process and/or as a hint for a possible function of PrPC as a receptor for PrPSc. Prion-Krankheiten sind fatale neurodegenerative Erkrankungen, die nach ihrem außergewöhnlichen Erregertyp – den Prionen, benannt wurden. Prionen unterscheiden sich auf Grund ihrer Zusammensetzung stark von anderen Erregertypen. Sie bestehen zum größten Teil aus Protein, dem so genannten Prion Protein (PrP). Obwohl sie keine codierenden Nukleinsäuren besitzen, können sie sich replizieren und eine übertragbare Krankheit hervorrufen. Bei dem Prion Protein handelt es sich um ein wirtseigenes Protein, das in zwei verschiedenen Isoformen auftritt: der nicht infektiösen, zellulären Form – PrPC, und der infektiösen, krankheitsassoziierten Form – PrPSc. Beide Isoformen besitzen identische Primärsequenzen und tragen die identischen posttranslationalen Modifikationen. Eine deutliche Unterscheidung von PrPC und PrPSc ist erst nach der Analyse deren physikalisch-chemischen Eigenschaften möglich. PrPC besitzt eine überwiegend α-helikale Sekundärstruktur, ist in milden Detergentien löslich und sensitiv gegenüber proteolytischer Verdauung mittels Proteinase K (PK). PrPSc weist einen deutlich erhöhten Anteil an β-Struktur auf, bildet unlösliche Aggregate und zeigt eine partielle Resistenz gegen PK-Verdauung. Es wird angenommen, dass der Mechanismus, der für die Ausbreitung von Prion-Krankheiten verantwortlich ist, auf einer Konversion von PrPC zu der infektiösen Isoform PrPSc basiert. Die Konversion entspricht dabei einer Konformationsänderung des Prion Proteins, die höchst wahrscheinlich auf der Zellmembran oder in deren Umgebung stattfindet. Um genauer den Charakter der Wechselwirkung zwischen natürlichen PrPC und exogenen PrPSc zu untersuchen, wurde im Rahmen dieser Abreit ein neues in vitro System entwickelt. Dieses in vitro System zeigte eine hohe biologische Relevanz, in dem es sich aus folgenden Komponenten zusammensetzte: einer Lipidmembran, Membran-verankerten PrPC und infektiösen PrPSc. Der erste Schritt in der Entwicklung dieses neuen Systems, war der Einsatz einer Lipidmembran in Form eines Bilayers. Die Lipidzusammensetzung entsprach der von raft Domänen, da PrPC in vivo in raft Domänen lokalisiert ist. Als zweites wurde das natürliche PrPC mit seinen posttranslationalen Modifikationen – dem Glykosyl-Phosphatidyl-Inositol-Anker (GPI-Anker) und den glykolisierungen – eingesetzt. Das PrPC wurde mittels seines GPI-Ankers in der Membran verankert, was sehr gut den in vivo Zustand imitierte. Diese GPI-Anker-vermittelte Immobilisierung ermöglichte die Analyse einer dritten Komponente in Form von infektiösen, hoch reinen PrPSc. Die Kombination dieser drei Komponenten führte zur Entwicklung eines neuen, hoch komplexen und biologisch relevanten in vitro System, mit dessen Hilfe es möglich war eine spezifische Wechselwirkung zwischen Membran-verankerten PrPC und exogenem PrPSc zu zeigen. Die Spezifität dieser Wechselwirkung wurde durch Versuche bestätigt in deren weder eine Bindung von PrPSc zu anderen Proteinen gezeigt werden konnte, noch andere Proteinfibrillen mit Membran-verankerten PrPC wechselwirkten. Die starke Wechselwirkung zwischen Membran-verankerten PrPC und PrPSc kann als der erste Schritt der Membran-abhängigen Konversion von PrPC zu PrPSc gesehen werden.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Physikalische Biologie
Dokument erstellt am:	17.07.2009
Dateien geändert am:	08.07.2009
Promotionsantrag am:	31.05.0009
Datum der Promotion:	02.07.0009