Dokument: Structural investigations of amyloid fibrils using solid-state NMR spectroscopy

Titel:	Structural investigations of amyloid fibrils using solid-state NMR spectroscopy
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=73745
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20260702-163623-3
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Becker, Nina [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 69,48 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 28.06.2026 / geändert 28.06.2026
Beitragende:	Prof. Dr. Heise, Henrike [Gutachter] Jun.-Prof. Dr. Hoyer, Wolfgang [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Misfolding of different amyloidogenic proteins is a hallmark of several neurodegenerative diseases in humans such as Alzheimer’s disease (AD). Therefore, a detailed understanding of the structure of misfolded proteins and of the aggregation process is essential for the molecular understanding of the diseases and for the development of new therapeutic approaches. This PhD thesis includes structural investigations of different disease-relevant proteins using various approaches of both solid-state NMR and DNP-enhanced solid-state NMR spectroscopy. The projects one and two include structural investigations of different types of Amyloid-β (Aβ) 42 fibrils, which are a hallmark of Alzheimer’s disease. In the first project, the influence of a pH shift on the stability and the fold of Aβ(1–42) fibrils grown at acidic pH was investigated. A combination of solid-state NMR spectroscopy, molecular dynamics simulations and biophysical methods was applied to obtain the following results: The LS-fold of the Aβ(1–42) fibrils remains unchanged over the complete pH range from pH 2 to pH 7. Changes in the protonation state of charged residues could be observed starting from pH 5 on a residue-specific level. The C-terminal carboxyl group of A42 in the intermolecular salt bridge with D1 and K28 is deprotonated at higher pH values and influences the local conformations of the involved residues. In project two, the influence of the posttranslational modification, formation of a pyroglutamate at position 3 in Aβ(1–42) fibrils was investigated. Identical fibril formation conditions were used for pyroglutamate-modified Aβ(1–42) (pEAβ(3–42)) fibrils as already used for LS-shaped Aβ(1–42) fibrils (acidic pH of 2). Structural similarities and differences between pEAβ(3–42) and Aβ(1–42) fibrils were investigated using solid-state NMR spectroscopy as the main method. The central region of pEAβ(3–42) fibrils including the turn region around V24 is almost identical to Aβ(1–42) fibrils. Deviations are observed mainly for the C-terminal region around G37 and G38. The PI3K-SH3 domain has been established as a model system for protein aggregation and fibril formation. The project three deals with the fibril formation kinetics of the PI3K SH3 domain using a combination of three different NMR methods: solution NMR, high-resolution magic angle spinning (HR-MAS) NMR and solid-state NMR spectroscopy. Although the protein sample experiences high centrifugal forces during magic angle spinning (MAS) in HR-MAS and solid-state NMR, while solution NMR is measured under quiescent conditions, the aggregation kinetics are comparable for all three NMR techniques. It could be shown additionally that the amount of disappeared monomers corresponds approximately to the amount of aggregated species monitored by solid-state NMR spectroscopy. The fourth and fifth projects focused on the protein Disrupted in schizophrenia 1 (DISC1), which, based on genetic and functional studies, is associated with various severe psychiatric disorders, particularly schizophrenia. Using a combination of different structural and biophysical methods including solid-state NMR spectroscopy, it was found that the C-region of the DISC1 protein is highly polymorphic which has consequences for its physiological function. The protein forms symmetric oligomers and gives rise to fibrils, which resemble the fibrils found in established amyloid proteinopathies. In project five, the conformational heterogeneity and aggregation behavior of three pathogenic mutants (S713E, S704C, L807-frameshift) alongside a β‑core segment of the DISC1 protein was investigated. For the sixth project DNP-enhanced solid-state NMR was applied to trap the conformations of three different proteins at cryogenic temperatures. The proteins include one intrinsically disordered protein (α-synuclein), one globular protein (GABARAP) as well as one natively folded protein, which is also able to unfold and form fibrils (PI3K-SH3 domain). The focus was on obtaining detailed insights into the side chain conformation of isoleucine. Die Fehlfaltung verschiedener amyloidogener Proteine ist ein charakteristisches Merkmal zahlreicher neurodegenerativer Erkrankungen des Menschen, beispielsweise der Alzheimer-Krankheit (AD). Daher ist ein detailliertes Verständnis der Struktur fehlgefalteter Proteine sowie des Aggregationsprozesses von entscheidender Bedeutung für das molekulare Verständnis dieser Erkrankungen und für die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze. Diese Dissertation umfasst strukturelle Untersuchungen verschiedener krankheitsrelevanter Proteine unter Einsatz unterschiedlicher Methoden der Festkörper-NMR- sowie der DNP-verstärkten Festkörper-NMR-Spektroskopie. Die Projekte eins und zwei befassen sich mit strukturellen Untersuchungen verschiedener Typen von Amyloid-β(Aβ)-42-Fibrillen, die ein charakteristisches Merkmal der Alzheimer-Krankheit darstellen. Im ersten Projekt wurde der Einfluss einer pH-Wert-Änderung auf die Stabilität und die Faltung von Aβ(1–42)-Fibrillen untersucht, die unter sauren Bedingungen gewachsen sind. Hierzu wurde eine Kombination aus Festkörper-NMR-Spektroskopie, Molekulardynamik-Simulationen und biophysikalischen Methoden eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die LS-Faltung der Aβ(1–42)-Fibrillen über den gesamten pH-Bereich von pH 2 bis pH 7 unverändert bleibt. Veränderungen im Protonierungszustand geladener Aminosäurereste konnten ab pH 5 auf Residue-spezifischer Ebene nachgewiesen werden. Die C-terminale Carboxylgruppe von A42, die an einer intermolekularen Salzbrücke mit D1 und K28 beteiligt ist, liegt bei höheren pH-Werten deprotoniert vor und beeinflusst die lokalen Konformationen der beteiligten Aminosäurereste. Im zweiten Projekt wurde der Einfluss der posttranslationalen Modifikation durch Bildung eines Pyroglutamats an Position 3 in Aβ(1–42)-Fibrillen untersucht. Für die Bildung der pyroglutamatmodifizierten Aβ(1–42)-Fibrillen (pEAβ(3–42)) wurden dieselben Bedingungen verwendet wie zuvor für LS-gefaltete Aβ(1–42)-Fibrillen (saurer pH-Wert von 2). Strukturelle Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen pEAβ(3–42)- und Aβ(1–42)-Fibrillen wurden hauptsächlich mittels Festkörper-NMR-Spektroskopie untersucht. Dabei zeigte sich, dass die zentrale Region der pEAβ(3–42)-Fibrillen einschließlich des Turn-Bereichs um V24 nahezu identisch mit der entsprechenden Region der Aβ(1–42)-Fibrillen ist. Unterschiede wurden hauptsächlich im C-terminalen Bereich um G37 und G38 beobachtet. Die PI3K-SH3-Domäne hat sich als Modellsystem für Proteinaggregation und Fibrillenbildung etabliert. Das dritte Projekt befasst sich mit der Kinetik der Fibrillenbildung der PI3K-SH3-Domäne unter Verwendung einer Kombination aus drei verschiedenen NMR-Methoden: Lösungs-NMR, High-Resolution Magic Angle Spinning (HR-MAS)-NMR und Festkörper-NMR-Spektroskopie. Obwohl die Probe während des Magic-Angle-Spinning (MAS) bei HR-MAS- und Festkörper-NMR hohen Zentrifugalkräften ausgesetzt ist, während Lösungs-NMR unter ruhenden Bedingungen gemessen wird, erwies sich die Aggregationskinetik bei allen drei NMR-Techniken als vergleichbar. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Menge der aus der Lösung verschwundenen Monomere in etwa der Menge der mittels Festkörper-NMR nachgewiesenen aggregierten Spezies entspricht. Das vierte und fünfte Projekt befasste sich mit dem Protein Disrupted in Schizophrenia 1 (DISC1), das auf Grundlage genetischer und funktioneller Studien mit verschiedenen schweren psychiatrischen Erkrankungen, insbesondere der Schizophrenie, in Verbindung gebracht wird. Mithilfe einer Kombination verschiedener struktureller und biophysikalischer Methoden einschließlich der Festkörper-NMR-Spektroskopie wurde gezeigt, dass die C-terminale Region des DISC1-Proteins eine ausgeprägte strukturelle Polymorphie aufweist, was Auswirkungen auf seine physiologische Funktion hat. Das Protein bildet symmetrische Oligomere und schließlich Fibrillen, die den Fibrillen etablierter Amyloid-Proteinopathien ähneln. Im fünften Projekt wurden die Konformationsheterogenität und das Aggregationsverhalten von drei pathogenen Mutanten (S713E, S704C und L807-Frameshift) sowie eines β-Core-Segments des DISC1-Proteins untersucht. Im sechsten Projekt wurde die DNP-verstärkte Festkörper-NMR-Spektroskopie eingesetzt, um die Konformationen von drei unterschiedlichen Proteinen bei kryogenen Temperaturen zu untersuchen. Zu den untersuchten Proteinen gehörten ein intrinsisch ungeordnetes Protein (α-Synuclein), ein globuläres Protein (GABARAP) sowie ein nativ gefaltetes Protein, das sich ebenfalls entfalten und Fibrillen bilden kann (PI3K-SH3-Domäne). Der Schwerpunkt lag auf der Gewinnung detaillierter Einblicke in die Seitenkettenkonformation der Aminosäure Isoleucin.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Physikalische Biologie
Dokument erstellt am:	02.07.2026
Dateien geändert am:	02.07.2026
Promotionsantrag am:	27.11.2025
Datum der Promotion:	05.03.2026