Suchen

Alzheimerforschung Forscher entdecken molekularen Schalter im Alzheimer-Protein APP

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Das Amyloid-Vorläufer-Protein (APP) spielt eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Morbus Alzheimer. Mittels Röntgenkristallographie konnten Jenaer Forscher jetzt eine neue Teilstruktur, die E2-APP-Domäne, aufgeklären. Sie agiert als hoch konservierter, Metall-Ionen-abhängiger Schalter von APP und steuert damit die Funktion dieses Schlüsselmoleküls bei Morbus Alzheimer.

Firmen zum Thema

Das Amyloid-Vorläufer-Protein (APP) spielt eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Morbus Alzheimer. Die E2-APP-Domäne agiert als hoch konservierter, Metall-Ionen-abhängiger Schalter von APP. (Bild: S.O. Dahms / FLI)
Das Amyloid-Vorläufer-Protein (APP) spielt eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Morbus Alzheimer. Die E2-APP-Domäne agiert als hoch konservierter, Metall-Ionen-abhängiger Schalter von APP. (Bild: S.O. Dahms / FLI)

Jena – Auslöser für Morbus Alzheimer sind u.a. unlösliche Eiweißbestandteile, die sogenannten Beta-Amyloid-Peptide (Aβ-Peptid), die sich vor allem in der Umgebung von Nervenzellen im Gehirn anreichern und diese schädigen. Sie sind Spaltprodukte eines Proteins auf der Membran von Nervenzellen, dem Amyloid-Vorläufer-Protein (APP). Die Abspaltung erfolgt durch Sekretasen (proteinspaltende Enzyme), wobei nur die β- und γ-Sekretasen das neurotoxische Aβ-Peptid freisetzen. Über die räumliche Struktur von APP, dessen biologische Funktion und Regulation ist bisher wenig bekannt. Bekannt ist, dass APP aus drei Abschnitten besteht: einem Transmembran-Teil, der beide Schichten der Zellmembran durchdringt, einem großen extrazellulären Abschnitt, der aus der Zelle herausragt (beinhaltet die sogenannten E1- und E2-Untereinheiten) und einem kleineren Bereich im Innern der Zelle.

Wissenschaftlern des Leibniz-Instituts für Altersforschung – Fritz-Lipmann-Institut (FLI) in Jena ist es nun gelungen, die dreidimensionale Struktur der E2-Untereinheit des Amyloid-Vorläufer-Proteins (APP) zu verfeinern und mittels Röntgenkristallographie im Komplex mit verschiedenen Metall-Ionen aufzuklären. Sie entdeckten dabei eine neue Bindestelle für diese Ionen, welche wahrscheinlich als Sensor für z.B. Kupfer oder Zink fungiert. Ähnlich einem molekularen Schalter führt die Bindung unterschiedlicher Metall-Ionen zu verschiedenen E2-Konformationen und hat somit höchstwahrscheinlich einen Einfluss auf die biologische Funktion des Alzheimer-Proteins APP.

Röntgenkristallographie klärt neue Teilstruktur auf

„Wir erhielten überraschend Kristalle mit gebundenen Kupfer- oder Zink-Ionen; ein Indiz für eine bis dato nicht bekannte Metall-Bindestelle in dem untersuchten Bereich“, berichtet Dr. Manuel Than, Arbeitsgruppenleiter am FLI. Im Vergleich zur Metall-Ionen-freien Form wiesen die durch Röntgenkristallographie ermittelten APP-Strukturen auch eine signifikant andere räumliche Struktur auf und waren weniger flexibel als das ungebunde Protein.

Die genauere Untersuchung der neu gefundenen Bindestelle ergab, dass die Ionen-Bindung über eine sehr spezifische Stickstoff-basierte Metall-Koordination erfolgt: Cu2+ wird über die Aminosäureseitenketten von vier Histidinen; Zn2+ über drei solche Histidin-Seitenketten und ein gebundenes Wassermolekül koordiniert. „Durch Sequenzvergleiche der Metall-Bindestelle verschiedener Vertreter aus der APP-Familie konnten wir nachweisen, dass dieser gefundene Bereich evolutionär stark konserviert ist, was uns vermuten lässt, das eine Fehlregulation der E2-Domäne durch Cu2+ und Zn2+ die Funktion von APP beeinträchtigt“, so der Strukturbiologe Than weiter.

Physiologische Bedeutung der Ionen-Bindung

Interessanterweise haben verschiedene Studien nachgewiesen, dass die Konzentration von Cu2+ und Zn2+ im Gehirn von Alzheimer-Patienten fehlreguliert ist. Die Jenaer Forscher untersuchten deshalb, ob die gefundene Ionen-Bindung auch von physiologischer Bedeutung ist und so möglicherweise einen Einfluss auf die Regulation von APP hat. „Wir haben herausgefunden, dass die Affinität der E2-Untereinheit so stark ist, dass auch Metall-Ionen in sehr geringen Konzentrationen gebunden werden; ein Hinweis für die physiologische Bedeutung der neu entdeckten Metall-Bindestelle“, berichtet Dr. Sven Dahms, Postdoc in der AG Than. Die Messung der Bindungsstärke durch thermodynamische Methoden ergab für Kupfer eine besonders hohe Affinität. Kupfer konkurriert mit Zink um den Bindestellenplatz und vermag Zn2+-Ionen sogar aus der E2-Domäne zu verdrängen.

„Die funktionelle Bedeutung der Metall-Bindestelle ergibt sich aus der hervorgerufenen beträchtlichen Konformationsänderung“, sind sich die beiden FLI-Forscher Than und Dahms sicher. Wie auch in einer Reihe von Protein-biochemischen Experimenten und in Zusammenarbeit mit Berliner Kollegen gezeigt, verhindert die Bindung von Cu2+ und Zn2+ an die E2-Domäne nicht nur die strukturelle Flexibilität von APP, sondern stabilisiert durch eine komplexe Umlagerung der Proteinstruktur auch verschiedene Konformationen. „Man kennt so ein Verhalten bereits von anderen Proteinen, wie zum Beispiel vom Calmodulin, das u.a. als An- und Aus-Schalter im Muskelgewebe auf hohe Calcium-Ionen-Konzentrationen mit einer Konformationsänderung reagiert“, erzählen die Strukturbiologen. „Die Bindung oder Nichtbindung der Metall-Ionen an die E2-Domäne ermöglicht aber eine noch viel komplexere Regulierung von APP über mehrere funktionelle Zustände“.

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 31953850)