Dokument: A Glimpse into the Polymorphic Landscape of Amyloids - Structural Investigation of Amyloid Fibrils by Cryo-Electron Microscopy

Titel:	A Glimpse into the Polymorphic Landscape of Amyloids - Structural Investigation of Amyloid Fibrils by Cryo-Electron Microscopy
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=56359
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20220623-090901-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Röder, Christine [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 164,78 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 25.05.2021 / geändert 25.05.2021
Beitragende:	Jun.-Prof. Dr. Schröder, Gunnar [Gutachter] Prof. Dr. Georg Groth [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Amyloids are structurally characterized by a high β-sheet propensity. They form as aggregates from unfolded, mostly intrinsically disordered, peptides. The most prominent form of amyloid is the amyloid fibril, which is characterized by stacks of monomers resulting in a helical filament with a distinct cross-β structure. The repetitive, helical structure of amyloid fibrils makes them an ideal target for structural investigations via cryo-electron microscopy. In recent years, it has been shown that amyloid fibrils usually exhibit different morphologies that might be linked to certain pathologies. This study aims at broadening our understanding of amyloid fibril structures and especially their polymorphism. The following amyloids have been investigated. (i) As a model organism for protein folding, src-homology domain 3 from phosphatidylinositol-kinase 3 was examined under the cryo-electron microscope. Its atomic structure was modeled into a density map of 3.4 Å resolution. Subsequently, kinetic changes in fibril formation of point mutants could be explained with this model. (ii) Amyloid-β, an amyloid infamous for its role in Alzheimer’s disease, is known to occur in a variety of mutations and modifications. In this study, four point mutations were established for research. Additionally, a new familial mutation was shown to form either oligomers or fibrils depending on the buffer system, and prepared for structure elucidation via cryo-electron microscopy. Moreover, samples of post-translationally modified amyloid-β species were prepared and examined. Phosphorylated amyloid-β was prepared and optimized for cryo-electron microscopy experiments, and effects of sonication on the fibrils was tested. Cryo-electron microscopy measurements were performed on a truncated amyloid-β variant with a pyroglutamation at residue three. The study presents a density map of ~4 Å resolution together with a potential residue placement. (iii) Islet amyloid polypeptide occurs in the pancreatic islands of β-cells of type II diabetes patients. In addition to its role in the disease, islet amyloid polypeptide has also been shown to be molecularly linked to Alzheimer’s disease. In this work, the existence of this molecular link was demonstrated by elucidating the structure of islet amyloid polypeptide, which showed significant similarity with an amyloid-β fold. Amyloide zeichnen sich durch eine hohe Neigung zur Bildung von β-Faltblättern aus. Sie formen Aggregate aus entfalteten, meist intrinsisch ungeordneten, Peptiden. Diese Peptidmonomere stapeln sich in der prominentesten Erscheinungsform von Amyloiden, der Amyloidfibrille, zu einem helikalen Filament. Die dadurch entstehende, repetitive Struktur der Amyloidfibrillen macht sie zu einem idealen Objekt struktureller Untersuchungen mittels Kryo-Elektronenmikroskopie. In den letzten Jahren wurde gezeigt, dass Amyloidfibrillen in der Regel unterschiedliche Morphologien aufweisen, die mit bestimmten Pathologien in Verbindung gebracht werden können. Die vorliegende Studie trägt dazu bei, den Aufbau von Amyloidfibrillen und insbesondere ihren Polymorphismus zu verstehen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden die folgenden amyloidogenen Proteine untersucht: (i) Die src-Homologiedomäne 3 aus der Phosphatidyl-Inositol-Kinase 3, die als Modellorganismus für Proteinfaltung gilt, wurde unter dem Kryo-Elektronenmikroskop untersucht. Ihre atomare Struktur wurde in eine Dichtekarte mit 3,4 Å Auflösung modelliert. Anschließend konnte dieses Modell verwendet werden, um kinetische Veränderungen der Fibrillenbildung in Punktmutanten zu erklären. (ii) Amyloid-β, ein Amyloid, das vor allem für seine Rolle in der Alzheimer-Krankheit bekannt ist, kommt in einer Vielzahl von Mutationen und Modifikationen vor. In dieser Studie wurden vier der bekannten, familiären Punktmutationen für spätere Forschungszwecke etabliert. Zusätzlich wurde für eine neuentdeckte familiäre Mutation, die ebenfalls für die Strukturaufklärung mittels Kryo-Elektronenmikroskopie präpariert wurde, gezeigt, dass sie in Abhängigkeit verschiedener Puffersysteme Oligomere oder Fibrillen bildet. Darüber hinaus wurden post-translational modifizierte Amyloid-β-Spezies untersucht. So wurde phosphoryliertes Amyloid-β für kryo elektronenmikroskopische Experimente präpariert und optimiert. Zudem wurden kryo-elektronenmikroskopische Untersuchungen an einer verkürzten Amyloid-β-Variante, mit einem Pyroglutamat an Aminosäure drei, durchgeführt. Diese Untersuchungen führten zu einer Dichtekarte mit etwa 4 Å Auflösung, die hier zusammen mit einem potentiellen Modell diskutiert wird. (iii) Insel-Amyloid-Polypeptid kommt in den Pankreasinseln der β Zellen von Diabetes Typ II Patienten vor. Zusätzlich zu seiner Rolle in Diabetes Typ II wurde gezeigt, dass dieses Amyloid auf molekularer Ebene in Verbindung zur Alzheimer-Krankheit steht. Diese Verbindung konnte in der vorliegenden Arbeit dadurch bestätigt werden, dass die mittels Kryo-Elektronenmikroskopie aufgelöste Struktur signifikante Ähnlichkeit mit einem bekannten Amyloid-β-Polymorph aufwies.
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Fachbereich / Einrichtung:	Sonstige Einrichtungen/Externe » Institute in Zusammenarbeit mit der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf » Institut für Biologische Informationsvereinbarung, Forschungszentrum Jülich GmbH Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Physikalische Biologie
Dokument erstellt am:	23.06.2022
Dateien geändert am:	23.06.2022
Promotionsantrag am:	25.02.2021
Datum der Promotion:	07.05.2021