- Titel
- Der Einfluss von lokalen physikochemischen Störungen auf die Toxizität, Fibrillierungskinetik, Struktur und Dynamik von Amyloid β40-Aggregaten
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:15-qucosa2-983298
- Datum der Einreichung
- 25.06.2024
- Datum der Verteidigung
- 08.05.2025
- Abstract (DE)
- Viele Peptide und Proteine haben die Tendenz, eine strukturelle Umorganisation ihres natürlich gefalteten, funktionalen Zustands hin zu fehlgefalteten fibrillären Strukturen einzugehen. Diese fibrillären Strukturen sind hierbei häufig mit neurodegenerativen Erkrankungen assoziiert. Amyloid beta (Aβ) ist ein Peptid, welches im Gehirn von an Morbus Alzheimer erkrankten PatientInnen amyloide Fibrillen bildet. Ein umfassendes Verständnis der Mechanismen dieser Aggregationsprozesse von Aβ-Peptiden hin zu neurotoxischen Aggregaten, welche zum Absterben neuronaler Zellen führen, konnte bisher noch nicht erlangt werden. In der vorliegenden Arbeit werden Grundlagen amyloider Strukturen und die Entstehung und Rolle der Aβ-Peptide in der Alzheimer-Erkrankung beschrieben. Weiterhin werden die komplexen Aggregationsmechanismen von Aβ40-Peptiden sowie die Strukturen ausgewachsener Aβ40-Fibrillen betrachtet. Toxizitätsmechanismen von Aβ-Peptiden sowie spezielle Voruntersuchungen des molekularen Kontakts zwischen den Aminosäureresten Phe19/Leu34 werden vorgestellt. Durch das Einfügen von Punktmutationen können Rückschlüsse auf die Bedeutung einzelner Aminosäuren und deren Umgebung für die Fibrillierungskinetik, Struktur, Dynamik und Toxizität der Aβ-Peptide gezogen werden. In dieser Arbeit werden vier rational modifizierte Aβ40-Peptidvarianten (Phe20Lys, Phe20Tyr, Phe20Cyclohexylalanin und Gly33Ala) untersucht. Der Einfluss der Mutationen wird mittels ThT-Fluoreszenzspektroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie, Circulardichroismus, Röntgendiffraktionsanalyse, Festkörper-NMR-Spektroskopie und Toxizitätsassays analysiert. Es wird gezeigt, dass Mutationen der Aminosäure Phe20 zu einer teils deutlichen Reduktion der Zelltoxizität im Vergleich zum Wildtyp führen und bereits eine geringgradige Mutation der Aminosäure Gly33 die Toxizität des Peptids vollständig aufheben kann. Es werden zwei Zielstrukturen innerhalb der Aβ40-Peptidsequenz neu identifiziert und charakterisiert, die die Toxizität von Aβ40-Peptiden maßgeblich beeinflussen können. Es ist davon auszugehen, dass Störungen der Positionen Phe20 und Gly33 dabei am ehesten den komplexen Fibrillierungsprozess und hierüber toxische oligomere Spezies beeinflussen, kaum aber die amyloiden Fibrillen als Endprodukt des Aggregationsweges. Dadurch kommen die Aminosäuren als vielversprechende Zielstrukturen für die Medikamentenentwicklung infrage.
- Abstract (EN)
- Many peptides and proteins tend to undergo a structural transition from their naturally folded, functional state to misfolded fibrillar structures. These fibrillar structures are often associated with neurodegenerative diseases. Amyloid beta (Aβ) is a peptide that forms amyloid fibrils in the brains of patients with Alzheimer’s disease. A comprehensive understanding of the mechanisms underlying the aggregation of Aβ peptides into neurotoxic aggregates, which lead to neuronal cell death, remains elusive. This thesis outlines fundamental properties of amyloid structures as well as the derivation and role of Aβ peptides in the pathogenesis of Alzheimer’s disease. Furthermore, it addresses the complex aggregation mechanisms of Aβ40 peptides and the structural characteristics of mature Aβ40 fibrils. Mechanisms of Aβ-induced toxicity and preliminary studies on molecular interactions between the amino acid residues Phe19 and Leu34 are presented. By introducing point mutations, insights can be gained into the role of specific amino acids and their local environment in determining fibrillation kinetics, structure, dynamics and toxicity of Aβ peptides. In this study, four rationally modified Aβ40 peptide variants (Phe20Lys, Phe20Tyr, Phe20Cyclohexylalanine and Gly33Ala) were investigated. The effects of these mutations were analyzed using ThT fluorescence spectroscopy, transmission electron microscopy, circular dichroism spectroscopy, X-ray diffraction, solid-state NMR spectroscopy and cell toxicity assays. The findings demonstrate that mutations at the Phe20 residue can significantly reduce cellular toxicity compared to the wild-type and that even a subtle mutation at Gly33 can completely abolish the peptide’s toxicity. Two target regions within the Aβ40 peptide sequence were newly identified and characterized as critical determinants of Aβ40 peptide toxicity. The data suggest that perturbations at Phe20 and Gly33 predominantly influence the formation of toxic oligomeric species during the fibrillation process, rather than the structure of mature amyloid fibrils. These residues may therefore represent promising targets for future drug development.
- Verweis
- Link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34944492/
Probing the Influence of Single-Site Mutations in the Central Cross-β Region of Amyloid β (1-40) Peptides
DOI: 10.3390/biom11121848 - Freie Schlagwörter (DE)
- Amyloid, beta, Amyloid b, Ab, A beta, Aβ, β, 40, 42, Alzheimer, Amyloide, Fibrillen, Toxizität, Mutation, Aggregation, Neurodegeneration
- Freie Schlagwörter (EN)
- amyloid, beta, amyloid b, ab, a beta, Aβ, β, 40, 42, Alzheimer, amyloids, fibrils, toxicity, mutation, aggregation, neurodegeneration
- Klassifikation (DDC)
- 610
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Universität Leipzig, Leipzig
- Version / Begutachtungsstatus
- angenommene Version / Postprint / Autorenversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:15-qucosa2-983298
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 08.08.2025
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Deutsch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY 4.0- Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis - S. iii Abkürzungsverzeichnis - S. iv 1 Bibliographische Zusammenfassung - S. 1 2 Einführung - S. 2 2.1 Struktur und Eigenschaften von Amyloiden - S. 2 2.1.1 Grundprinzipien der molekularen Struktur von Amyloiden - S. 2 2.1.2 Die Energielandschaft amyloider Faltungsprozesse - S. 4 2.1.3 Amyloide in pathologischen und physiologischen Prozessen - S. 7 2.2 Entstehung, Struktur und Eigenschaften von Amyloid β - S. 9 2.2.1 Amyloid β in der Alzheimer-Erkrankung - S. 9 2.2.2 Funktionen des Amyloid Precursor Proteins und Spaltung zu Amyloid β - S. 11 2.2.3 Aufbau und Struktur von Amyloid β40-Monomeren und -Fibrillen - S. 15 2.2.4 Faltungsprozesse der Amyloid β-Peptide - S. 19 2.2.5 Toxizitätsmechanismen von Amyloid β-Peptiden - S. 23 2.2.6 Voruntersuchungen der Phe19-Leu34-Peptidregion - S. 25 3 Zielsetzung - S. 29 4 Publikationsmanuskript - S. 31 5 Zusammenfassung - S. 49 6 Literaturverzeichnis - S. 54 7 Anlagen - S. 74 7.1 Darstellung des eigenen wissenschaftlichen Beitrags - S. 74 7.2 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit - S. 75 7.3 Lebenslauf - S. 76 7.4 Publikation - S. 78 7.5 Danksagung - S. 79