Dokument: Structure Determination of Amyloid-β1-42 Fibrils by Cryo-EM

Titel:	Structure Determination of Amyloid-β1-42 Fibrils by Cryo-EM
Weiterer Titel:	Strukturbestimmung von Amyloid-β1-42 Fibrillen mit Kryo-EM
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=46817
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20190924-102616-3
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Schenk, Carla [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 18,31 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 22.08.2018 / geändert 22.08.2018
Beitragende:	Jun.-Prof. Dr. Schröder, Gunnar [Gutachter] Prof. Dr. Willbold, Dieter [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Im Jahr 2010 wurde geschätzt, dass circa 35,6 Millionen Menschen an Demenz leiden und die Gesamtkosten dafür waren etwa 604 Millionen USD für Behandlung und Versorgung der Betroffenen und es wird angenommen, dass jedes Jahr etwa 7,7 Millionen neue Fälle dazukommen. Die Alzheimersche Krankheit ist die am häufigsten vorkommende neurodegenerative Erkrankung und für 60-80 % aller Fälle verantwortlich. An der Alzheimerschen Krankheit wird geforscht seit sie 1906 das erste Mal beschrieben wurde aber auch 100 Jahre nach ihrer Entdeckung ist sie noch lange nicht vollständig verstanden. Fibrillen und fibrilläre Plaques, die aus dem Protein Amyloid β (Aβ) bestehen, spielen in der Krankheit eine wichtige Rolle und deshalb ist es von besonderem Interesse ihre Struktur zu kennen. Die Strukturbestimmung von Aβ Fibrillen ist jedoch sehr schwierig, da die Fibrillen im Allgemeinen sehr heterogen sind. In dieser Arbeit wurden Aβ 1−42 Fibrillen mit Kryo-elektronenmikroskopie (Kryo-EM) untersucht. Die Fibrillen wurden aus rekombinantem Aβ 1−42 bei niedrigem pH und unter der Verwendung eines organischen Kosolvens produziert. Drei verschiedene Arten von Polymorphen konnten in der erwendeten Probe beobachtet werden. Für einen Polymorph konnte eine hochaufgelöste Dichtemap erzeugt werden in der das vollständige Proteinrückgrat und fast alle Seitenketten sichtbar sind. Mithilfe der Map konnte ein atomares Modell der Struktur erzeugt werden. Das Modell zeigt, dass die Fibrille aus zwei Protofilamenten besteht, deren Interface aus den hydrophoben C-termini geformt ist. Die einzelnen Proteinmoleküle in der Fibrille haben eine "LS" Form und auch die N-Termini sind Teil der Struktur, was zuvor noch nicht beobachtet wurde. Die Monomere sind nicht planar und gegeneinander versetzt entlang der Fibrille angeordnet, was zu unterschiedlichen Fibrillenenden führt. Dichtemaps mit mittlerer Auflösung konnten für die anderen beiden Polymorphen erzeugt werden und sie zeigen, dass der zweite Fibrillentyp aus ähnlichen, "LS"-Im Jahr 2010 wurde geschätzt, dass circa 35,6 Millionen Menschen an Demenz leiden und die Gesamtkosten dafür waren etwa 604 Millionen USD für Behandlung und Versorgung der Betroffenen und es wird angenommen, dass jedes Jahr etwa 7,7 Millionen neue Fälle dazukommen. Die Alzheimersche Krankheit ist die am häufigsten vorkommende neurodegenerative Erkrankung und für 60-80 % aller Fälle verantwortlich. An der Alzheimerschen Krankheit wird geforscht seit sie 1906 das erste Mal beschrieben wurde aber auch 100 Jahre nach ihrer Entdeckung ist sie noch lange nicht vollständig verstanden. Fibrillen und fibrilläre Plaques, die aus dem Protein Amyloid β (Aβ) bestehen, spie- len in der Krankheit eine wichtige Rolle und deshalb ist es von besonderem Interesse ihre Struktur zu kennen. Die Strukturbestimmung von Aβ Fibrillen ist jedoch sehr schwierig, da die Fibrillen im Allgemeinen sehr heterogen sind. In dieser Arbeit wurden Aβ 1−42 Fibrillen mit Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) untersucht. Die Fibrillen wurden aus rekombinantem Aβ 1−42 bei niedrigem pH und unter der Verwendung eines organischen Kosolvens produziert. Drei verschiedene Arten von Polymorphen konnten in der verwendeten Probe beobachtet werden. Für einen Polymorph konnte eine hochaufgelöste Dichtemap erzeugt werden in der das vollständige Proteinrückgrat und fast alle Seitenketten sichtbar sind. Mithilfe der Map konnte ein atomares Modell der Struktur erzeugt werden. Das Modell zeigt, dass die Fibrille aus zwei Protofilamenten besteht, deren Interface aus den hydrophoben C-termini geformt ist. Die einzelnen Proteinmoleküle in der Fibrille haben eine "LS" Form und auch die N-Termini sind Teil der Struktur, was zuvor noch nicht beobachtet wurde. Die Monomere sind nicht planar und gegeneinander versetzt entlang der Fibrille angeordnet, was zu unterschiedlichen Fibrillenenden führt. Dichtemaps mit mittlerer Auflösung konnten für die anderen beiden Polymorphen erzeugt werden und sie zeigen, dass der zweite Fibrillentyp aus ähnlichen, "LS"- geformten Monomeren wie die erste Fibrille besteht. Das Interface in dieser Fibrille wird jedoch von den N-Termini des Proteins geformt. Der dritte Polymorph in der Probe besteht aus zwei Fibrillen von Typ eins, die wahrscheinlich das gleich N-terminaleInterface wie die zweite Fibrille haben. Außerdem wurde in dieser Arbeit eine Methode zur Vorhersage von Ligand- bindungsstellen entwickelt. Dafür werden nur ein Titration-Kernspinresonanzspektrum (NMR) von Protein und Ligand und die Proteinstruktur benötigt. Die Methode basiert auf dem Vergleich eines experimentellen Titrationsspektrum mit verschiedenen vorhergesagten Spektren. Die Bindungsstelle des Liganden entspricht der Stelle, die zu dem am besten passenden vorhergesagten Spektrum gehört. Die Methode kann auf viele verschiedene Protein-Ligand Systeme angewendet wer- den und könnte auch dafür benutzt werden Interaktionen von Aβ Fibrillen mit Bindungspartnern zu untersuchen. In 2010 it was estimated that around 35.6 million people are suffering from dementia with a total cost of 6 billion USD for medical treatment and care and it is assumed that every year 7.7 million new patients are diagnosed. Alzheimer's Disease (AD) is the most common of all neurodegenerative diseases accounting for 60-80% of all cases. It has been a subject of interest and research since it was first described in 1906 but 100 years later the disease is still far from being fully understood. Though it is known that in AD fibrils and fibrillar plaques made from the amyloid β (Aβ) protein play an important role and therefore their structure is of particular interest. Structure determination of Aβ fibrils, however, is very complicated as they are usually very heterogeneous. In this work Aβ1-42 fibrils were investigated with cryo-electron microscopy (cryo-EM). The fibrils were produced from recombinant Aβ1-42 at low pH with organic co-solvent. Three different types of polymorphs are observed in the fibril sample. For one of the polymorphs a high resolution density map was obtained in which the complete backbone and almost all side chains are visible. The map allowed for building an atomic model of the structure. The model reveals that the fibril consists of two protofilaments which interface is formed by the hydrophobic C-termini. The individual subunits adopt an "LS"-shape and also the N-termini are part of the structure which has not been described before. The subunits are not planar and arranged in a staggered fashion along the helical axis which leads to different fibril ends. Density maps for the other polymorphs are determined at medium resolution and they show that the second polymorph consists of similar "LS"-shaped subunits but with an interface formed by the N-termini of the protein. The third polymorph observed in this sample is made out of two fibrils of type one and has most likely the same N-terminal interface that was described for the second polymorph. Furthermore a method to detect ligand binding sites was developed in this work. Only a protein-ligand nuclear magnetic resonance (NMR) titration spectrum and the protein structure is needed to predict the binding site automatically. The method is based on comparing the experimental titration with several predicted spectra and determines the binding site to be the one corresponding to the best matching predicted spectrum. This methods works on many different protein-ligand systems and could also be used to study the interaction between Aβ fibrils and binding partners.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik
Dokument erstellt am:	24.09.2019
Dateien geändert am:	24.09.2019
Promotionsantrag am:	16.03.2018
Datum der Promotion:	12.04.2018