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Die Plasmamembran lebender Zellen stellt die Hauptbarriere für alle Arten von extrazellulären Signalen dar. Viele davon werden ins Innere der Zelle weitergeleitet, hier lösen sie im Kern transkiptionelle Veränderungen und damit die Anpassung der Zelle auf Proteinebene aus. Andere wiederum werden direkt erkannt und in unmittelbare molekulare Antworten umgewandelt, wie zum Beispiel die Sekretion von gespeicherten Stoffen oder Konformations-änderungen von Proteinen. Besonders in Pflanzen, welche durch ihre sesshafte Lebensweise auf die rechtzeitige und spezifische Erkennung von Umweltveränderungen angewiesen sind, hat sich ein höchst diverses Rezeptorsystem entwickelt. In der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana, der in dieser Arbeit verwendeten Modellpflanze, wurden 610 verschiedene Rezeptorproteine identifiziert, welche wiederum von zahlreichen interagierenden, und bis jetzt weitestgehend unerforschten Proteinen reguliert werden. Als entscheidendes Prinzip, dieses Aufgebot an membran-gebundenen Komponenten von Signalkaskaden zu organisieren, gilt inzwischen die zeitliche und lokale Kompartimentierung der Plasmamembran. Durch Akkumulation relevanter Bestandteile von biologischen Prozessen in sogenannten Membrandomänen werden kurze Reaktionszeiten und die unmittelbare Signalweiterleitung garantiert. Besonders wichtig bei solchen Prozessen sind sogenannte Gerüstproteine, welche als Adaptoren zwischen anderen Komponenten fungieren. In dieser Arbeit wurden Remorine, eine Familie pflanzenspezifische Proteinen ohne bisher definierte Funktion, aufgrund ihrer Eigenschaft Membrandomänen zu markieren und ihrer mutmaßlichen Beteiligung an Pflanzen-Pathogen-Interaktionen, genauer untersucht. Eine systematische Expression von Remorinen als Fluorophor-Fusionen mit anschließender hochauflösender mikroskopischer und quantitativer Untersuchung offenbarte, dass die meisten Remorine sich in deutlich unterschiedlichen Mustern an der Membran verteilen. Untersucht wurden dabei Parameter wie die Größe der erkennbaren Domänen, die Form, die Helligkeit, aus welcher auf die Proteinkonzentration rückgeschlossen werden kann, sowie die Domänendichte an der Membran. Diese Ergebnisse wurden von Kolokalisationsanalysen unterstützt, welche die Lokalisation in unterschiedlichen, koexistierenden Membrankompartimenten erkennen ließen. Ferner wurden die Eigenschaften der von Remorinen markierten Membrandomänen, wie zum Beispiel der Austausch an Proteinen mit der umgebenden Membran, sowie lokale und zeitliche Dynamik und Stabilität untersucht. Dabei konnte eine hohe Fluktuation einzelner Proteine zwischen Domäne und umliegender Membran, jedoch eine klare laterale Immobilität der gesamten Domäne nachgewiesen werden. Zusätzlich zeichneten sich die untersuchten Domänen teilweise durch eine außerordentlich große zeitliche Stabilität aus, andere wiederum scheinen abhängig von bestimmten Stimuli zu entstehen. Weitergehende Arbeiten dienten der Identifizierung der Funktion einzelner Bereiche der Proteine. Hierbei konnte die entscheidende Rolle des äußersten C-terminalen Bereichs, des so- genannten RemCAs (Perraki et al., 2012; Konrad et al., 2014) als Membrananker bestätigt werden. Zusätzlich wurden mit Hilfe eines Hefe-2-Hybrid Ansatzes zahlreiche neue Interaktoren für eine Auswahl von Remorinen identifiziert. Dabei wurde ein essentieller Rezeptor der basalen Immunantwort, BAK1 als Interaktor für Remorin 6.4 gefunden. Zuletzt wurden einige wenige Remorine mit Hilfe von Mutantenlinien in einer genetischen Studie phänotypischen Analysen bezüglich ihrer Funktion bei Pflanzen-Pathogen Interaktionen unterzogen. Remorin 6.4 spielt hiernach eine Rolle bei der Immunantwort nach Befall mit virulenten Bakterien. Die grundlegende Erkenntnis, dass in lebenden Zellen zahlreiche klar unterscheidbare Arten an Membrandomänen koexistieren, ist ein Meilenstein auf dem Weg zur Anerkennung einer neuen Vorstellung vom Aufbau der Zytoplasmamembran. Diese wird häufig noch als undifferenzierte zweidimensionale Flüssigkeit beschrieben, in welcher stellenweise sogenannte Lipidflöße, festere Strukturen aus Cholesterin und Sphingolipiden, die auch bestimmte Proteine beherbergen können, auftreten. Anhand der in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse, sowie ähnlicher Studien in Hefe lässt sich nun folgendes Bild zeichnen: Es ist davon auszugehen, dass unterschiedliche Proteine, welche im selben biologischen Prozess involviert sind, in unmittelbarer Nachbarschaft oder sogar im selben Proteinkomplex in der Membran organisiert sind. Die Lipidzusammensetzung in der unmittelbaren Umgebung wird von diesen Proteinen bestimmt, bietet jedoch auch die Grundlage für die Bildung der Domäne, indem sie die Lokalisation der Komponenten in diesem Bereich fördert. Die zahlreichen an der Zellmembran gleichzeitig ablaufenden, unterschiedlichen Prozesse erfordern eine hochkomplexe, zeitlich und räumlich stark regulierte Kompartimentierung der Membran. Es kann vermutet werden, dass Remorine eine Rolle als Gerüstproteine bei der Ausbildung einer Auswahl dieser Domänen bilden. Im Fall von Remorin 6.4 ist das Protein für den Prozess der Flagellin-Erkennung und die unmittelbaren Abwehrantworten, welche nachweislich eine Präformierung der beteiligten Proteinkomplexe voraussetzen, notwendig.

Die überwiegende Mehrzahl der chloroplastidären Proteine ist im Nukleus kodiert und muss folglich posttranslational in das Organell importiert werden. Der Transport dieser Vorstufenproteine in die Chloroplasten wird von zwei multimeren Proteinkomplexen bewerkstelligt, den Toc- (Translocon at the outer envelope of chloroplasts) und Tic- (Translocon at the inner envelope of chloroplasts) Komplexen. In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Aspekte des Proteinimports analysiert: (i) die Evolution des Proteintransports, (ii) die Importwege von Proteinen der inneren Hüllmembran und (iii) die Struktur und Funktion des Kanalproteins Tic110. Zur Untersuchung der Evolution des Proteinimports wurde die Translokation verschiedener Vorstufenproteine in Chloroplasten höherer Pflanzen mit der in Chloroplasten des Mooses Physcomitrella patens verglichen. Dabei wurden Kinetik, Energiebedarf und Prozessierung analysiert. Dies ermöglicht Aussagen über die Entwicklung des Proteintransports, da bekannt ist, dass die Zusammensetzung der Toc- und Tic-Komplexe in der nicht-vaskulären Pflanze P. patens Unterschiede zu den Importapparaten höherer Pflanzen aufweist. Es konnte verdeutlicht werden, dass die untersuchten Vorstufenproteine dennoch das gleiche Importverhalten in den analysierten Modelsystemen zeigen, was darauf hinweist, dass die Importwege trotz der Unterschiede in den Translokationskomplexen konserviert sind. Im weiteren Verlauf dieser Arbeit wurde der Import von Proteinen der inneren Hüllmembran analysiert, für welche zwei unterschiedliche Wege beschrieben wurden: im „conservative-sorting“-Weg werden die Proteine über die Toc- und Tic-Komplexe in das Stroma transportiert, wo das Erkennungssignal von der stromalen Prozessierungspeptidase vom maturen Protein getrennt wird, bevor anschließend die Insertion der Proteine in die Membran erfolgt. Beim „stop-transfer“-Weg dagegen stagnieren die Proteine auf Höhe des Translokationskanals der inneren Hüllmembran und werden von dort lateral in die Membran inseriert. Eine systematische Charakterisierung der Importwege hydrophober Proteine der inneren Membran in Chloroplasten von Pisum sativum bezüglich Energiebedarf, Nutzung von Rezeptorkomponenten, sowie Bildung löslicher Intermediate konnte zeigen, dass die Insertion der untersuchten Vorstufenproteine in die innere Hüllmembran mittels des „stop-transfer“-Weges erfolgt. Des Weiteren wurde die Struktur und Funktion des Kanalproteins der inneren Chloroplastenmembran - Tic110 - näher untersucht, wobei vor allem die Verankerung von Tic110 in die Membran von Interesse war. Tic110 besitzt zwei N-terminale, hydrophobe Transmembranhelices, welche für die Verankerung in die Membran verantwort-lich sind, sowie vier C-terminale, amphipatische Transmembrandomänen. In dieser Arbeit konnte mittels Sequenzanalyse ein konservierter Bereich am Ende der ersten amphipatischen Helix identifiziert werden, welcher ebenfalls maßgeblich an der Membranverankerung beteiligt ist. Eine Mutation dieser Domäne führt zu einer Konformationsänderung des Proteins, woraufhin es nicht mehr in der Lage ist, stabil in Membranen zu inserieren. Die Topologie von Tic110 macht deutlich, dass große Teile des Proteins sowohl in den Intermembranraum, als auch in das Stroma hineinragen, wohingegen die amphipatischen Transmembrandomänen den Translokationskanal bilden. In dieser Arbeit konnte ein künstliches Importsystem mittels in Liposomen rekonstituiertem Tic110 etabliert werden, wodurch nicht nur gezeigt werden konnte, dass Tic110 in der Lage ist, Vorstufenproteine zu binden, sondern auch, dass eine Translokation der Proteine erfolgen kann. Die Daten weisen auf eine bedeutende Rolle von Tic110 als Proteinimportkanal der inneren Hüllmembran hin.

Gerade in der heutigen Kommunikationsgesellschaft führen Hörstörungen häufig zu einem Verlust der Arbeitsfähigkeit und Lebensqualität. Nicht selten enden sie in einer sozialen Isolation der Patienten. Bisher sind kausale Therapiemaßnahmen zur Behandlung einer Innenohrschwerhörigkeit nur in begrenztem Umfang möglich. Die wichtigste Therapieoption besteht darin, den Patienten mit einem Hörgerät zu versorgen. Nach einer Mitteilung der Bundesinnung der Hörgeräteakustiker wird die Zahl der ca. 2,5 Millionen in Deutschland lebenden Hörgeräteträger aufgrund der demographischen Entwicklung weiter zunehmen. Der Prävention und Behandlung von Innenohrerkrankungen kommt somit aus sozioökonomischer, aber auch aus klinischer Sicht eine große Bedeutung zu. Deshalb ist eine intensive Erforschung der Pathophysiologie von Innenohrstörungen notwendig. Pathogenetisch spielen neben Ursachen wie Hypoxie, Lärm und Hypertonie auch metabolische Erkrankungen wie eine Hypercholesterinämie eine auslösende Rolle. Erste Hinweise auf die schädigende Wirkung von Cholesterin auf das Innenohr ergab bereits im Jahr 1962 eine Untersuchung von Samuel Rosen, welcher die Prevalenz der Presbyakusis bei dem sudanesischen Stamm der Mabaan mit einer Kontrollgruppe aus den USA verglich. Das verminderte Auftreten der Altersschwerhörigkeit bei den Mabaan führte er unter anderem auf eine cholesterinarme Ernährung zurück. Zahlreiche epidemiologische, klinische und experimentelle Studien bestätigen diesen Zusammenhang und weisen unter anderem auch auf eine direkte schädigende Wirkung von Cholesterin auf die Funktion der äußeren Haarzellen hin. Die äußeren Haarzellen sind in der Lage, durch Längenänderungen Schallsignale zu verstärken und die Sensitivität des Corti-Organs zu erhöhen. Dieser Vorgang wird aufgrund seiner Abhängigkeit vom Membranpotenzial auch Elektromotilität genannt. Er wird durch Konformationsänderungen des Motorproteins Prestin, welches in der Zellmembran der äußeren Haarzellen lokalisiert ist, ausgelöst. Bei einer Depolarisation kommt es zur Verkürzung, eine Hyperpolarisation führt zur Verlängerung der Zellen. Obwohl zahlreiche Studien vorliegen, ist die genaue Wirkungsweise von Cholesterin auf die äußeren Haarzellen noch weitgehend ungeklärt und Inhalt kontrovers geführter Diskussionen. Die zentrale Aufgabe dieser Arbeit bestand darin, den Einfluss von Cholesterin auf die Motilität von äußeren Haarzellen qualitativ und quantitativ zu untersuchen. Dazu wurden V. Zusammenfassung und Ausblick 65 die Längenänderungen von insgesamt 77 Zellen bei unterschiedlichen extrazellulären und intrazellulären Bedingungen gemessen. Die äußeren Haarzellen wurden aus der Cochlea von Meerschweinchen frei präpariert und mit der Patch-Clamp-Technik zu Änderungen der Zelllänge stimuliert. Zur Aufzeichnung dieser Bewegungen diente die Videomikroskopie auf Subpixelniveau, die eine Auflösung im Nanometerbereich aufweist. Die Zellen wurden in mehrere Versuchsreihen aufgeteilt. In einer Versuchsreihe wurden die Längenänderungen von 12 äußeren Haarzellen bei physiologischen intra- und extrazellulären Bedingungen gemessen. Diese Zellen dienten als Kontrollgruppe für die weiteren Experimente. Die Ergebnisse dieser Versuchsreihe konnten das Bewegungsmuster der Zellen, das in der Literatur beschrieben worden ist, bestätigen. Es zeigte sich ein asymmetrischer Verlauf der Bewegungen in Depolarisations- und Hyperpolarisationsrichtung mit einer maximalen Längenänderung von ca. 1,5 μm. Um den Einfluss von extrazellulärem Cholesterin auf die Motilität der äußeren Haarzellen zu quantifizieren, wurden die Zellen in Abhängigkeit von der Cholesterinkonzentration untersucht. Insgesamt wurden die Längenänderungen von 12 Zellen mit 0,1 mmol/l, von 10 Zellen mit 0,5 mmol/l, von 12 Zellen mit 1 mmol/l und von 7 Zellen mit 1,5 mmol/l Cholesterin gemessen. Das Versuchsergebnis ergab einen konzentrationsabhängigen Einfluss von Cholesterin auf die Elektromotilität von äußeren Haarzellen. Dieser Effekt war ab einer Cholesterinkonzentration von 1,0 mmol/l mit einem Motilitätsrückgang um 29 % bei der maximalen Verkürzung und um 9 % bei der maximalen Verlängerung signifikant. Gleichzeitig zeigte sich eine Verschiebung der Spannung Vpkc in die hyperpolarisierende Richtung. Vpkc entspricht der Spannung, bei der am effektivsten eine Bewegung der äußeren Haarzellen erzeugt wird. Die Verschiebung von Vpkc wurde in früheren Studien als Stellschraube für die Regulation der Elektromotilität gesehen. Mit diesen Ergebnissen konnte die vorliegende Studie nicht nur den seit Jahrzehnten diskutierten schädigenden Einfluss von Cholesterin auf die äußeren Haarzellen nachweisen, sondern auch Hinweise auf eine Regulationsfunktion von Cholesterin bei der Elektromotilität geben. Der Einfluss von Cholesterin auf die Elektromotilität beruht sowohl auf Wirkungen auf die passive Zellmembran, als auch auf das Motorprotein Prestin. Eine weitere Versuchsreihe sollte Hinweise liefern, ob der Einfluss von Cholesterin eher das Ergebnis von Auswirkungen auf die passiven Eigenschaften der Zellmembran darstellt oder mehr auf einem Effekt auf die Funktion des Motorproteins Prestin beruht. Dazu wurde bei 12 Zellen durch Reduktion der intrazellulären Chloridkonzentration die Prestinfunktion 66 V. Zusammenfassung und Ausblick auf die Hälfte verringert und extrazellulär 1 mmol/l wasserlösliches Cholesterin zugegeben. 12 Zellen mit halbmaximaler Prestinfunktion, bei denen die extrazelluläre Lösung kein Cholesterin enthielt, dienten als Vergleichsgruppe. Bei den mit einer Cholesterinkonzentration von 1 mmol/l behandelten Zellen mit halbmaximaler Prestinfunktion zeigte sich ein Motilitätsrückgang um 18 % bei der maximalen Verkürzung und um 5 % bei der maximalen Verlängerung im Vergleich zu den Zellen mit halbmaximaler Prestinfunktion ohne Cholesterinzugabe. Aus dem Vergleich dieser beiden Zellgruppen mit den Zellen, die nur mit 1,0 mmol/l Cholesterin behandelt wurden, konnte ermittelt werden, dass Cholesterin stärker auf das Motorprotein Prestin als auf die physikalischen Eigenschaften der Zellmembran wirkt. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstützen die in mehreren Studien diskutierte Vermutung, dass zwischen einer Hypercholesterinämie und Hörschädigungen ein Zusammenhang besteht. Sie ermöglichen ein besseres Verständnis der Wirkung von Cholesterin auf die Hörfunktion. Als präventive Maßnahme könnte neben der Vermeidung von Lärmbelastung auch die rechtzeitige Diagnose und Therapie einer Hypercholesterinämie sein. In Studien wurde ein therapeutischer Effekt einer Senkung des Cholesterinspiegels bei einem Hörsturz nachgewiesen. Diese klinischen Beobachtungen scheinen bei Betrachtung der Ergebnisse dieser Arbeit plausibel zu sein. Durch Senkung des Cholesterinspiegels besteht womöglich eine gute Chance, erstmals eine suffiziente Therapie des Hörsturzes zu entwickeln. Die genauen Mechanismen der Wirkung von Cholesterin auf die Zellmembran bzw. auf das Motorprotein Prestin sind jedoch noch weitgehend unbekannt. Die in dieser Arbeit beschriebenen Hinweise auf eine Regulationsfunktion von Cholesterin bei der Motilität von äußeren Haarzellen bieten durchaus neue Ansatzpunkte für weitere Untersuchungen auf diesem Forschungsgebiet. Durch das Verständnis grundlegender Pathomechanismen ergeben sich in Zukunft neue Möglichkeiten zur Prävention und Therapie von Erkrankungen des Innenohres wie Altersschwerhörigkeit, Hörsturz und Tinnitus. Angesichts der steigenden Anzahl betroffener Patienten und der überragenden Bedeutung des Gehörsinns für das soziale Zusammenleben sind Erkenntnisse auf diesem Gebiet von großer klinischer Bedeutung

Aufgrund ihrer kleinen De-Broglie-Wellenlänge sind Elektronen sehr gut für die Strukturanalyse mit einer Auflösung im atomaren Bereich geeignet. Die Synchronisation von ultrakurzen Elektronenpulsen mit ultrakurzen Laserpulsen bietet weiterhin die Möglichkeit, Vorgänge wie Konformationsänderungen von Molekülen oder Phasenübergänge in Festkörpern mit präziser Orts- und Zeitauflösung zu untersuchen. Zusätzlich reagieren Elektronen aufgrund ihrer Ladung hochsensitiv auf elektrische und magnetische Felder. In den in dieser Arbeit vorgestellten Experimenten werden beide Eigenschaften ausgenutzt. Ihre Eigenschaft, auf äußere Felder zu reagieren, wird zur Untersuchung ultraschneller Plasmadynamik verwendet. Diese Art der Untersuchung ermöglicht es, Plasmaeigenschaften zu beleuchten, die anderen Methoden nicht zugänglich sind. Die extrem hohe räumliche Auflösung, kombiniert mit einer Zeitauflösung von einigen Pikosekunden, ermöglicht die erste Demonstration zeitaufgelöster Elektronenbeugung von transient ausgerichteten Molekülen. Dabei wird der ultraschnelle Zerfall des erzeugten Rotationswellenpakets gemessen. Zeitaufgelöste Elektronenbeugung an ausgerichteten Molekülen stellt einen bedeutenden Schritt auf dem Weg hin zu dreidimensionaler Strukturaufklärung hochkomplexer Moleküle dar. Die Raumladung innerhalb der Elektronenpulse führt zur schnellen zeitlichen Verbreiterung der Pulse, typischerweise in den Pikosekundenbereich. Um diese Einschränkung zu überwinden, wurde eine Einzelelektronenquelle konstruiert. Erste zeitaufgelöste Experimente zum Photoemissionsprozess zeigen eine verbesserte Zeitauflösung von einigen hundert Femtosekunden.

Bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen ist die Fehlfaltung und Aggregation von Proteinen und Peptiden ein wichtiger pathogener Faktor, dessen Ursachen und Mechanismen bis heute größtenteils unbekannt sind. Teilweise entfaltete Zustände der beteiligten Proteine und Peptide, die oftmals Startpunkte der Fehlfaltung bilden, sind mit den gängigen experimentellen Techniken strukturell kaum aufzuklären. Im Gegensatz dazu lassen sich mit Hilfe von Molekulardynamik-(MD)-Simulationen die beteiligten Strukturen im Prinzip mit atomarer Auflösung charakterisieren. Ziel dieser Arbeit war es daher, Methoden zur MD-Simulation von Modellpeptiden zu entwickeln und anzuwenden, um Einsichten in die ersten Schritte der angesprochenen Fehlfaltungsprozesse zu gewinnen. Da die Faltungseigenschaften von Peptiden insbesondere von der Temperatur abhängen, habe ich im ersten Teil meiner Arbeit eine Strategie zur minimalinvasiven Temperaturkontrolle für MD-Simulationen entwickelt. Im Gegensatz zu gängigen Vorgehensweisen werden hierbei die Konformationsübergänge eines Peptids nicht verlangsamt, und das durch die Simulation abgetastete statistische Ensemble bleibt ungestört. Um den Konformationsraum mit der Fehlfaltung assoziierter Peptide effizient abzutasten, muss darüberhinaus auf sogenannte replica-exchange-Techniken zurückgegriffen werden, die durch einen regelmäßigen Konfigurationsaustausch zwischen parallelen Simulationen bei unterschiedlichen Temperaturen eine schnellere Konformationsdynamik des Peptids bewirken. Ein weiterer methodischer Teil meiner Arbeit beschäftigt sich daher mit Regeln zur optimalen Wahl der Temperaturleiter und des Austauschschemas für den Einsatz dieser Techniken. Insbesondere habe ich gezeigt, dass bisher bei der Ableitung entsprechender Regeln von falschen Voraussetzungen ausgegangen wurde, weshalb nur suboptimale Ergebnisse erzielt werden konnten. Aus der mathematischen Analyse des Problems und anhand eines Monte-Carlo-Modells habe ich eine tatsächlich optimale Strategie entwickelt. Schließlich habe ich diese Strategien angewandt um einen Aspekt der Fehlfaltung des Prion-Proteins (PrP) näher zu untersuchen. Ziel einer Reihe von replica-exchange-Simulationen war es, die Stabilität der ersten alpha-Helix (H1) von PrP gegen ihre Entfaltung zu untersuchen. Hierzu wurde ein Modell-Peptid mit einer H1 entsprechenden Sequenz in unterschiedlichen Lösungsmitteln simuliert. Dabei zeigte sich, dass die entsprechende Peptidsequenz in Wasser mehrheitlich keine alpha-helikale Faltung annimmt und vergleichsweise schnell entfaltet, während mit abnehmender Polarität des Lösungsmittels die Stabilität deutlich zunimmt. Damit bestätigt sich eine Hypothese von Hirschberger et al. [Biophys. J. 90, 3908-3918 (2006)] daß H1 für die Fehlfaltung von PrP keine Barriere darstellt, falls dieser Prozess, wie vermutet, als ersten Schritt den Wechsel von H1 von einer schwach in eine stark polare Umgebung beinhaltet.

Wed, 17 Sep 2008 12:00:00 +0100 https://edoc.ub.uni-muenchen.de/10128/ https://edoc.ub.uni-muenchen.de/10128/1/Bleicken_Stephanie.pdf Bleicken, Stephanie

Für die Therapie der HIV-Infektion stehen verschiedene Substanzklassen zur Verfügung. T-20 (Handelsname Fuzeon®) ist ein Fusionsinhibitor, der in seinem Aufbau einem Teil des Hüllproteins von HIV-1 entspricht. Die Hülle von HIV-1 wird von mehreren gp120-gp41-Komplexen durchsetzt, welche Trimere bilden und durch nicht-kovalente Bindungen assoziiert sind. Die Ektodomäne von gp41 besteht aus vier wichtigen Strukturen: einem hydrophoben, glycinreichen Fusionspeptid, einer N-terminalen stabartigen α-Helix (Heptad repeat 1), einem Verbindungsstück mit cysteinreichem Loop (zwischen HR1 und HR 2) und einer zweiten C-terminalen α-Helix (Heptad repeat 2). Die Fusion wird u. a. durch Konformationsänderungen im gp120-gp41-Komplex und innerhalb eines gp41 ermöglicht. Als Inhibitor der räumlichen Umstrukturierung von HIV-1-gp41 agiert T-20 durch spezifische extra-zelluläre Bindung an gp41. Dadurch wird die Fusion zwischen viraler Zellmembran und Zielzelle blockiert und das Eindringen der viralen RNA in die Zielzelle verhindert. Die T-20-Resistenz wurde zunächst dem GIV-Motiv im N-terminalen Teil von gp41 zugeschrieben. Auch C-terminale Mutationen betreffend wurden resistenzsteigernde Effekte beschrieben. Ziel dieser Arbeit war die Erforschung C-terminaler Mutationen als Antwort auf N-terminale Aminosäureänderungen und ihre Darstellung in einem Proteinmodell. Entgegen den Erwartungen lagen die beobachteten Mutationen in HR2 oftmals den HR1-Mutationen nicht gegenüber, sondern waren häufig sogar an der Außenseite der Helix lokalisiert. Neben Mutationen, die auf intra-gp41-Ebene eine Rolle spielen, spricht dies für das Vorhandensein von inter-gp41-Beziehungen.

Experimente mit hohen Struktur- und Zeitauflösungen sind Voraussetzungen, um ein detailliertes Verständnis grundlegender Prozesse auf molekularer Ebene zu erlangen. Zeitauflösungen im Bereich von Femtosekunden kann die Anreg-Abtast-Laserspektroskopie erreichen. Mit Abtastimpulsen im infraroten Spektralbereich lassen sich zudem die nötigen strukturellen Informationen gewinnen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein transientes Femtosekunden-Infrarotspektrometer für verschiedene Anwendungen auf dem Gebiet der Molekülphysik weiterentwickelt. Dieses betraf zum Einen eine Erzeugung für abstimmbare Ultraviolett-Anregungsimpulse, zum Anderen eine mehrstufige, optisch parametrische Frequenzkonversion zur Generierung spektral schmalbandiger, abstimmbarer Pumpimpulse im Mittelinfraroten. An Propionsäure-Dimeren, einem Modellsystem für die biologisch relevanten Wasserstoffbrückenbindungen, wurden Infrarot-Anreg-Infrarot-Abtast-Experimente durchgeführt. Die Anregung erfolgte dabei im Bereich der OH-Streckschwingungen, während die CO-Streck- und CH-/OH-Biegeschwingungen abgetastet wurden. Es konnte gezeigt werden, dass diese Schwingungen stark aneinander koppeln. Die genaue Wellenlänge der Infrarot-Pumpimpulse hat Einfluss auf die Relaxation der Schwingungsenergie. Intramolekulare Energieumverteilung findet mit Zeitkonstanten von 0,5 ps und 1,5 ps statt; eine weitere intramolekulare Relaxation, vornehmlich aus mitangeregten CH-Streckschwingungen, sowie das Kühlen zum Lösungsmittel, geschehen mit Zeiten von 12 ps. Darüber hinaus wurde das transiente Brechen nur einer der beiden Wasserstoffbrückenbindungen der Propionsäure-Dimere nach der Infrarot-Anregung beobachtet. Neben umfangreichen Experimenten mittels Ultraviolett-/Sichtbar-Anreg-Infrarot-Abtastspektroskopie wurde an photochromen Fulgiden und Fulgimiden eine Zuordnung von Schwingungsbanden mit Hilfe von Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen durchgeführt. Lichtinduzierte, ultraschnelle und reversibel schaltbare Ringschluss- sowie Ringöffnungsreaktionen zwischen den thermisch stabilen Konformeren wurden untersucht. Mit dem Zerfall eines elektronisch angeregten Zustands, dessen Lebensdauer auf der Zeitskala weniger Pikosekunden anzusiedeln ist, wird das entsprechende Photoprodukt gebildet. Alle Photoreaktionen sind nach 50 ps abgeschlossen. Durch spektral sehr breitbandiges Abtasten konnten auch Infrarotspektren des elektronisch angeregten Zustandes gewonnen und dessen Absorptionsbanden teilweise auch Normalschwingungen zugeordnet werden. Die potentielle Eignung von Fulgiden als ultraschneller, optischer Speicher wurde in einem Schreib-Lösch-Zyklus demonstriert. Mit einem ersten Ultraviolett-Impuls wurde die Ringschluss-, mit einem weiteren Impuls im Sichtbaren nach nur 4 ps die Ringöffnungsreaktion induziert, entsprechend einer möglichen Schalttaktrate von 250 GHz. Die Absorptionsunterschiede aufgrund der Konformationsänderungen konnten im Infraroten ausgelesen werden, ohne die jeweilige Konformation der Moleküle zu verändern.

Die Amyloidosen gehören zu den Proteinspeicherkrankheiten. Die abgelagerten pathogenen Proteine zeichnen sich durch eine besondere Konformation, die β-Faltblattstruktur, aus. Man spricht daher auch von Konformationskrankheiten" oder "β-Fibrillosen". Bislang sind etwa 25 verschiedene Proteine bekannt, die im Menschen zu einer Amyloidose führen können. Je nach Lokalisation der Amyloidablagerungen unterscheidet man lokale („Amyloidom“), organlimitierte (z.B. zerebrale) und systemische Formen. Die Benennung erfolgt nach der Art des gespeicherten Proteins, wobei an das Kürzel „A“ für „Amyloid“ das Kürzel des gespeicherten Proteins angehängt wird: Die bekanntesten Amyloidosen sind vom Typ Aβ (M. Alzheimer), APrP (Scrapie), AA (Akutphasenprotein bei chronischen Entzündungen), Aβ2M (Urämie, chronische Hämodialyse), ATTR (Amyloid vom Transthyretin-Typ sporadisch im Alter sowie familiär bei Mutation) und AL (Leichtketten-Amyloid bei monoklonaler Gammopathie mit den Isotypen λ und κ). Daneben gibt es seltenere, dann oft familiär gehäuft auftretende und z.T. mit Polyneuropathie einhergehende Amyloidosen sowie Amyloid in endokrinen Drüsen. In dieser Arbeit wurde die Amyloidose einer Patientin („UNK“) untersucht, die eine außergewöhnliche klinische Manifestation einer organlimitierten Amyloidose aufweist: Über 10 Jahre hinweg sind bei der Patientin multiple subkutane Knoten („Amyloidome“) aufgetreten, ohne dass sich im Verlauf ein Anhalt für eine systemische Amyloidverteilung ergab. Bei den Amyloidablagerungen handelt es sich, wie in dieser Arbeit mit immunchemischen und biochemischen Methoden gezeigt werden konnte, um eine Amyloidose vom κ1-Leichtketten-Typ (ALκ1). Es werden also Teile eines Immunglobulins, nämlich einer κ-Kette der Subklasse 1 (man unterscheidet 4 κ-Subklassen, daneben gibt es noch Leichtketten vom Typ λ) in knotiger Form in der Subkutis gespeichert ausgehend von einer monoklonale Gammopathie. Das besondere auch daran ist, dass sich über 10 Jahre kein Progress im Sinne der Entwicklung eines Plasmozytoms gezeigt hat. Daneben wurde bei der Patientin ein zerebraler Entmarkungsherd (Multiple Sklerose) diagnostiziert, hierbei muss differentialdiagnostisch an das Vorliegen eines zerebralen Amyloidoms gedacht werden; es gibt dazu entsprechende Berichte in der Literatur. Durch Isolation des Amyloidproteins aus dem Gewebe, Aufreinigung und anschließende Aminosäuresequenzierung (Edman-Abbau) kombiniert mit Massenspektrometrie konnte die vollständige Aminosäuresequenz der variablen Region (AS 1-108) sowie wesentlicher Teile (bis AS 207) der konstanten Region (AS 109-214) der abgelagerten κ-Kette ermittelt werden. Um die Frage zu klären, ob aus der Aminosäuresequenz des Proteins auf seine Amyloidogenität, also die Wahrscheinlichkeit, Amyloid zu bilden, geschlossen werden kann oder auf die sehr ungewöhnliche Art der klinischen Manifestation (Leichtkettenamyloidosen zeigen in der ganz überwiegenden Zahl der Fälle ein systemisches Befallsmuster), wurde die ermittelte Sequenz mit allen bislang veröffentlichten 17 Sequenzen von Amyloid-bildenden κ1-Ketten sowie nicht-amyloidogenen κ-Ketten verglichen mit folgendem Ergebnis: (1) ALκ (UNK) zeigt 7 bisher nicht und etwa ebenso viele bisher nur selten beschriebene Aminosäureaustausche. Diese Aminosäureaustausche entsprechen kaum den bislang typischerweise mit erhöhter Amyloidogenität in Verbindung gebrachten Mutationen, so dass aus der Aminosäurenabfolge an sich kein Rückschluss auf die Amyloidogenität des Proteins möglich ist. (2) Bemerkenswert ist ferner die (bei aus dem Gewebe isolierten Amyloidproteinen fast regelhaft auftretende) starke Fragmentierung des Proteins, ein "staggering" an Position 63-69 sowie eine Biklonalität (AS 82D und E), welche bisher für ALκ-Amyloidosen noch nicht beschrieben wurde. (3) Die Hypothese, dass erhöhte Hydrophobizität die Amyloidogenität eines Proteins erhöht, wird durch ALκ (UNK) bestätigt, indem die in ALκ (UNK) neu aufgetretenen Aminosäureaustausche die Hydrophobizität deutlich steigern. (4) Es ist bekannt, dass die Destabilisierung der Tertiärstruktur eines Proteins seine Umfaltung zur Fibrille begünstigt. ALκ (UNK) weist eine Mutation an der hochkonservierten und für die Stabilisierung der Tertiärstruktur verantwortlichen Position (Serin60Prolin)auf. (5) Da in der Literatur bislang erst 6 Fallberichte zu organlimitierten subkutanen Amyloidosen (verschiedene Ursprungsproteine) vorliegen, lässt sich der bevorzugte Organbefall (Organotropismus) derzeit noch nicht aus der Aminosäuresequenz ableiten. Möglicherweise wird der Tropismus durch eine Art Antigen-Antikörper-Interaktion der amyloidogenen Leichtketten mit Strukturen im Zielgewebe (mit-)bestimmt. Das Protein ALκ (UNK) wurde außerdem mit immunchemischen Methoden charakterisiert: (1) Im Kaninchen wurde ein polyklonales Antiserum gegen ALκ (UNK) hergestellt und gegen Amyloide vom Typ ALκ aus anderen Patienten, native κ Ketten sowie Amyloide anderer Subklassen ausgetestet. Es hat sich mittlerweile im Routineeinsatz bestens bewährt und rückblickend die Sensitivität und Spezifität der Amyloiddiagnostik im Labor deutlich verbessert. (2) Es konnte gezeigt werden, dass Antiseren, die gegen Amyloid-Vorläuferproteine (κBJP) erzeugt wurden, keine Reaktion mit ALκ (UNK) zeigen. Diese Beobachtung unterstützt die Annahme, dass es im Rahmen der Amyloidogenese zu einer erheblichen Konformationsänderung und damit auch Veränderung der Oberflächenstruktur des Vorläuferproteins kommt, so dass zur immunchemischen Detektion von Amyloidproteinen besondere Reagenzien (nämlich speziell gegen Amyloidproteine hergestellt Antiseren) erforderlich sind. (3) Die Subklassenbestimmung der abgelagerten κ-Kette gelang mit den eingesetzten immunchemischen Methoden aus technischen Gründen nicht. (4) ALκ (UNK) konnte auch immunchemisch (Immunhistochemie, Western Blot, Ouchterlony-Test) eindeutig als ALκ identifiziert werden, was den hohen Stellenwert der Immunchemie bei der Amyloiddiagnostik unterstreicht. Daneben wurden noch weitere Untersuchungen angestellt: (1) Der Geweberohextrakt wurde mittels Western Blot bezüglich des Gehaltes an anderen Proteinen (außer ALκ (UNK)) untersucht. Es konnten u.a. unfragmentierte λ- und γ-Ketten nachgewiesen werde, ferner ist vom Vorhandensein noch weiterer ubiquitärer höhermolekularer Proteine wie Albumin in gegenüber dem Amyloidgehalt vergleichsweise geringer Menge auszugehen. (2) Die Fragmentierung der abgelagerten Proteine wurde genauer untersucht. Man findet Sequenzanfänge bei AS-Position 1,40,88,150,159, wobei andererseits wieder Fragmente gefunden wurden, die diese überlappen. Auch ein die konstante und variable Region der leichten Kette überlappendes Fragment wurde gefunden. Daneben wurden Urinproben der Patientin untersucht. Auch hier zeigen sich κ-Fragmente in mehreren Molekulargewichtsbereichen (nicht sequenziert). Ob die Fragmentierung vor, während oder nach der Amyloidablagerung zustande kommt, wurde nicht untersucht. Zur Therapie dieses ungewöhnlichen Amyloid-Syndroms: Bei fehlender Progression sowohl im Bezug auf das Auftreten neuer Amyloidablagerungen (bislang fehlende systemische Beteiligung) wie auch hinsichtlich der Dynamik des monoklonalen Plasmazellklons (kein Anhalt für Plasmozytom) ist derzeit ein abwartendes Verhalten gerechtfertigt. Sollte es bei der Patientin zur Progredienz kommen, wäre bezüglich der Amyloidablagerungen die entsprechende symptomatische Therapie (medikamentöse Therapie der Herzinsuffizienz, Schrittmacherimplantation, Hämodialyse bei Niereninsuffizienz), bezüglich der monoklonalen Gammopathie die Reduktion des monoklonalen Zellklons (gemäß den Leitlinien zur Tumortherapie, z.B. autologe Stammzelltransplantation) indiziert.

Viele neurodegenerative Erkrankungen, wie die transmissiblen spongiformen Enzephalopathien (TSE), die Alzheimer- und die Huntington-Krankheit, sind durch charakteristische Ablagerungen im Gehirn, sogenannte Amyloide, gekennzeichnet. Amyloide sind oftmals fibrilläre Aggregate von normalerweise löslichen Proteinen, deren dreidimensionale Strukturen sich bei der Aggregation verändern. Bedauerlicherweise waren hochauflösende Methoden biophysikalischer Strukturaufklärung bislang auf Amyloide nicht anwendbar. Dagegen können Molekulardynamik (MD)-Simulationen amyloidogener Proteine und Peptide in ihrer Lösungsmittelumgebung dazu beitragen, die Mechanismen der auftretenden Konformationsänderungen zu verstehen und die Strukturen amyloider Fasern aufzuklären. Die korrekte und effiziente Beschreibung der Lösungsmittelumgebung spielt dabei eine entscheidende Rolle. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Konformationsdynamik Amyloid bildender Peptide und Proteine in expliziter wässriger Umgebung untersucht. In MD-Simulationen des zellulären Prion Proteins (PrPC) werden durch Einführung der Punktmutationen M205S und M205R entscheidende Faktoren für die korrekte Faltung und strukturelle Stabilität des Proteins identifiziert. Ferner wird für die Grundstruktur der bei TSE auftretenden pathogenen Isoform PrPSc ein Modell basierend auf dem Strukturmotiv einer parallelen beta-Helix entwickelt. Analog dazu werden Peptide aus poly-Glutamin, die den mutmaßlichen Aggregationskeim bei der Huntington-Krankheit darstellen, als parallele beta-Helizes unterschiedlicher Formen und Größen modelliert. In MD-Simulationen ermitteln wir aus diesen Strukturen thermodynamisch stabile monomere und dimere Aggregationskeime. Da die erreichbaren Simulationszeiten in expliziten Lösungsmitteln verglichen mit den Zeitskalen der Proteindynamik zu kurz sind, wird im zweiten Teil dieser Arbeit eine effiziente Kontinuumsmethode für Proteine in polaren Lösungsmitteln weiterentwickelt. In dieser Methode wird das durch die Polarisation des Lösungsmittels hervorgerufene Reaktionsfeld (RF) durch normalverteilte RF-Dipoldichten an den Orten der Proteinatome beschrieben. Die sich daraus ergebenden RF-Kräfte auf die Proteinatome berücksichtigen aber nicht den Druck an den dielektrischen Grenzflächen, der vom Kontinuum auf das Protein ausgeübt wird, und verletzen damit das 3. Newtonsche Gesetz. Dies führt in MD-Simulationen zu erheblichen Artefakten. In dieser Arbeit wird diese Kontinuumsmethode so umformuliert und erweitert, dass die resultierenden RF-Kräfte dem Prinzip Actio=Reactio gehorchen. Die modifizierte Kontinuumsmethode wird in ein MD-Programm implementiert und an Hand geeigneter Systeme parametrisiert. In ausgedehnten MD-Simulationen des Alanin-Dipeptids wird die Korrektheit und Effizienz der Methode demonstriert.

Die Arbeit liefert neue Beiträge zu zwei wichtigen biophysikalischen Fragestellungen der Peptid-/Proteinfaltung: 1. Welchen Einfluss hat das Lösungsmittel auf die initiale Konformationsdynamik? Das Molekül Azobenzol dient dazu, gezielt in einem ringförmigen Oktapeptid getriebene Konformationsänderungen auszulösen. Azobenzol isomerisiert nach Lichtanregung innerhalb weniger Pikosekunden. Es werden neue Ergebnisse zum Isomerisierungsmechanismus präsentiert, die wichtige Hintergrundinformationen zum Verständnis der Moleküldynamik liefern. Durch die Isomerisation ändert sich die Länge des Azobenzols um fast den Faktor zwei, wodurch in den Azobenzol-Peptiden konformationelle Umorganisationen ausgelöst werden. Bereits früher durchgeführte Messungen an DMSO-löslichen Azobenzol-Peptiden zeigten, dass kinetische Prozesse, die mit Zeitkonstanten von ~10ps und ~100ps ablaufen, der Bewegung des Peptid-Teils zugeordnet werden können. Die hier präsentierten Ergebnisse an Azobenzol-Peptiden, die in Wasser löslich sind zeigen, dass Prozesse auf Zeitskalen >5 ps in Wasser um den Faktor 1.5-2 beschleunigt ablaufen. Man sieht in diesen ultraschnellen Kinetiken echte Umorganisationen des Peptid-Rückgrats, deren Geschwindigkeit durch die Viskositat des Lösungsmittels bestimmt sind 2. Wie schnell ist die Kontaktbildung in Peptiden? Fur ein Verständnis der Proteinfaltung ist wichtig zu wissen, wie lange es dauert, bis zwei (räumlich entfernte) Aminosäuren innerhalb eines Peptids einen Kontakt ausbilden. Zur Bestimmung dieser Kontaktbildungsrate werden Experimente an Xanthon-Peptiden präsentiert, die zwei Marker-Moleküle enthalten. Messungen ergeben, dass der durch einen kurzen Lichtimpuls angeregte Donor Xanthon innerhalb weniger Pikosekunden einen langlebigen Triplett-Zustand besetzt. Weiterhin wird gezeigt, dass bei direktem Kontakt zum Akzeptor Naphthalin ein Triplett-Triplett Energietransfer innerhalb

Die Faltung und die Funktionsdynamik von Proteinen basieren auf schnellen Prozessen, die zum Teil im Zeitbereich der Pikosekunden bis Nanosekunden ablaufen. Zur Untersuchung dieser Dynamiken und der mit ihnen verbundenen strukturellen Änderungen werden häufig Molekulardynamik (MD)-Simulationen eingesetzt, die auf empirisch parametrisierten molekularmechanischen (MM) Kraftfeldern basieren. Die vorliegenden Arbeit stellt einen Ansatz zur Validierung solcher MM-Kraftfelder vor, der darin besteht, die Relaxationsdynamik kleiner lichtschaltbarer Modellpeptide zu simulieren und die dabei auftretenden Kinetiken mit Ergebnissen der Femtosekunden-Spektroskopie zu vergleichen. Erste Simulationen dieser Art zeigen eine überraschende Übereinstimmung zwischen den simulierten und den gemessenen Kinetiken. Weitere Untersuchungen, bei denen einzelne Details des eingesetzten Kraftfelds variiert werden, lassen jedoch erkennen, dass diese Übereinstimmung auf einer zufälligen Kompensation von Fehlern beruht. Es wird gezeigt, dass die simulierten Kinetiken sehr empfindlich auf Änderungen am MM-Kraftfeld reagieren und damit als Maßstab für die Güte seiner Parametrisierung dienen können. Besonders die Modellierung des Lösungsmittels DMSO hat einen entscheidenden Einfluss auf die beobachteten Kinetiken, und zwar nicht nur auf die Kühlzeiten der Wärmedissipation, sondern auch auf die Relaxationsdynamik des Peptidteils der Modellsysteme. Als Vorarbeit für die Simulation der Modellpeptide wird ein flexibles und explizites DMSO-Modell aus ersten Prinzipien abgeleitet und dessen thermodynamische und strukturelle Eigenschaften mit denen existierender Modelle verglichen. Ferner wird das eingesetzte Kraftfeld um Parameter für den in die Modellpeptide integrierten Farbstoff Azobenzol erweitert und dessen lichtinduzierte Isomerisierungsreaktion modelliert. Darüber hinaus werden neuartige Methoden zur statistischen Auswertung von MD-Trajektorien vorgestellt, die dazu dienen, eine strukturelle Klassifikation der Peptidgeometrien zu ermöglichen. Mit Hilfe dieser Klassifikation kann ein vertiefter Einblick in die während der Relaxation der Modellpeptide auftretenden Konformationsübergänge gewonnen werden. Ferner ermöglichen es die statistischen Auswertungsverfahren, aus Langzeitsimulationen der Modellpeptide deren Gleichgewichtskonformationen zu bestimmen. Der Vergleich dieser Konformationen mit Daten der NMR"=Spektroskopie zeigt schließlich die Leistungsfähigkeit der Methode der MD-Simulation für die Vorhersage von Peptidstrukturen.

[NiFe]-Hydrogenasen sind weitverbreitete Enzyme, deren große Untereinheiten ein Metallzentrum enthalten, welches aus einem Nickel- und einem mit drei niedermolekularen Liganden, einem CO und zwei CN, koordinierten Eisenatom besteht. Nach Expression der sie kodierenden Gene durchlaufen die großen Untereinheiten einen komplexen posttranslationalen Reifungsprozess, in dessen Verlauf das [NiFe]-Zentrum schließlich assembliert wird. Der letzte Schritt der Reifungskaskade besteht in der proteolytischen Entfernung eines C-terminalen Peptids durch eine spezifische Reifungsprotease, was das Metallzentrum ins Innere des Proteins bringt. Diese besitzt eine Metallbindestelle, die von drei konservierten Resten ausgebildet wird. Ziel dieser Arbeit war es den Katalysemechanismus dieser Proteasen aufzuklären und Reste bzw. Motive oder Bereiche im Substratprotein und in der Protease ausfindig zu machen, die an der Substratbindung beteiligt sind. Im Rahmen dieses Unterfangens konnten folgende Ergebnisse erzielt werden: 1. Die Metallbindestelle der spezifischen Reifungsprotease dient zur Erkennung des Nickels im Vorläuferprotein der großen Untereinheit und stellt gleichzeitig auch das aktive Zentrum des Enzyms dar. 2. Der N-terminale Rest der Schnittstellenregion spielt keine Rolle für die Prozessierung durch die Protease; seine Funktion liegt im Protonentransfer von und zum aktiven Zentrum. 3. Der C-terminale Schnittstellenrest wirkt als „Hebel“, der den C-Terminus in der richtigen Position hält und damit die korrekte Faltung des Proteins sicherstellt. Diese ist Voraussetzung für die Substraterkennung durch die Protease, die damit konformationsabhängig ist. 4. Die Deletion der letzten 26 Aminosäuren des C-Terminus von HycE resultiert in einer unlöslichen Varianten, die nur noch in der Membranfraktion zu finden ist. Dabei unterliegt diese Variante ebenfalls einem raschen Abbau, der auf eine Konformationsänderung hindeutet. 5. HycH scheint die vorzeitige Bindung von HycG, der kleinen Untereinheit der Hydrogenase 3, an HycE, der großen Untereinheit der Hydrogenase 3, zu verhindern. Mit Hilfe der erhaltenen Ergebnisse konnten zwei mögliche Katalysemechanismen für die Reifungsproteasen postuliert werden. Desweiteren konnte eine potentielle Rolle des C-Terminus in der Substraterkennung durch die Protease dargestellt werden und schließlich auf eine mögliche Funktion des HycH-Proteins hingewiesen werden.

Untersuchung der Reaktionszyklen von Chaperoninen aus Escherichia coli und Thermoplasma acidophilum mit Hilfe der Neutronenkleinwinkelstreuung Am Thermosom wurden bisher noch keine Komplexe untersucht. Hier war von großem Vorteil, daß bei SANS kein Strahlenschaden auftritt und damit Proben modifiziert und anschließend noch einmal gemessen werden konnten. a) b) c) Abbildung 5.2: schematische Darstellung verschiedener Thermosom-Konformationen: a) offenen Konformation, b) geschlossene Konformation c) Bullet-Konformation Ergebnisse Ergebnisse zu GroE - Zum Verständnis der allosterischen Wechselwirkungen innerhalb von GroEL wurde die Lösungsstruktur einer „single-ring“-Mutante von GroEL untersucht. Die Strukturen von apo-single-ring-GroEL und ADP-Komplexen aus protoniertem singlering- GroEL und protoniertem GroES unterscheiden sich nicht oder nicht meßbar von den entsprechenden Strukturen im Kristall. Bei einer Messung mit ADP-Komplexen aus unsichtbarem single-ring-GroEL und sichtbarem GroES wurde dagegen in der Lösungsstruktur eine im Kristall nicht vorhandene Konformationsänderung von GroES beobachtet. Dies bestätigt frühere mit wild-type GroEL durchgeführte Versuche. - Symmetrische Komplexe aus GroEL und GroES, sogenannte Football-Komplexe, werden als wichtiger Zwischenschritt im GroE-Reaktionszyklus diskutiert. In Anwesenheit von AMP-PNP konnten Football-Komplexe aus protoniertem, gematchtem GroEL und deuteriertem GroES nachgewiesen werden. In der Neutronenstreuung zeigen diese Komplexe eine charakteristische Hantelstruktur. Die beiden GroES-Moleküle haben einen Abstand von ca. 200Å (siehe Pfeil in Abb. 5.1c). Mit einer Titratonsreihe konnten wir die Dissoziationskonstante des zweiten GroES-Heptamers in diesen Komplexen mit einem Wert von 2×10-7M bestimmen. - Der Phage T4 hat ein Gen für ein eigenes Co-Chaperonin, GP31, das eine starke Analogie zu GroES aufweist. Wir verglichen die beiden Co-Chaperonine, um zu verstehen, warum GP31 lebenswichtig für den Phagen ist. Aus GroEL und GP31 wurden dazu in Anwesenheit von AMP-PNP Football-Komplexe gebildet. Bei diesen Komplexen ist das Co-Chaperonin etwa 5Å weiter vom Zentrum des Gesamtkomplexes entfernt, als im Fall der GroEL-GroES-Komplexe. Dieses Ergebnis unterstützt die These, GP31 sei nötig, um für die Faltung des Phagenproteins GP23 einen größeren Anfinsen-Cage zu schaffen. GP31 scheint unter vergleichbaren Bedingungen stärker zur Bildung von Football-Komplexen zu neigen als GroES. Bei der Bindung an GroEL ändern GP31 und GroES ihre Konformation. - In Verdrängungsversuchen wurde das Bindungsverhalten von GroES und GP31 an GroEL untersucht. Hierzu wurden mit Hilfe von ADP-Komplexen aus sichtbarem GroEL mit sichtbarem Co-Chaperonin vorgeformt. Das sichtbare Co-Chaperonin wurde dann mit unsichtbarem GroES verdrängt, so daß in den neugebildeten Komplexen nur noch GroEL ein Streusignal gab. Die beobachteten Zerfallsreaktionen mit Halbwertszeiten in der Größenordnung von Stunden lassen sich mit zwei Exponentialfunktionen beschreiben. Dies ist ein Indiz für das Auftreten von verschiedenen Populationen an GroEL-Co-Chaperonin-Komplexen. In allen Fällen waren die Dissoziationsraten bei den GroEL-GP31-Komplexe geringer als bei GroEL-GroES-Komplexen. Komplexe von GroEL mit GP31 sind also stabiler als solche mit GroES. - Bei einer Reihe von Versuchen mit GroEL und Substratprotein (MPB-Y283D) konnten unter anderem 1:2 Komplexe aus GroEL und Substrat und Trans-Komplexe aus GroEL, GroES und Substrat nachgewiesen werden. Diese Experimente zeigten übereinstimmend einen Abstand von 60Å des MPB zum Zentrum von GroEL. Wegen der notwendigen Denaturierung von MBP und anderen Substratproteinen wurden jedoch die Streukurven sehr häufig von Aggregaten gestört. SANS-Experimente mit Substratprotein sind daher wesentlich schwieriger als Versuche mit GroES oder GP31. Ergebnisse zum Thermosom - Die geschlossene Konformation von Thermosom in der Kristallstruktur rührt nicht von der Bindung von Mg-ADP-AIF3 her, sondern vom für die Kristallisation verwendeten Ammoniumsulfat . In Anwesenheit von ADP mit 2M Phosphat, schließt sich das Thermosom auch in physiologischem Puffer. Durch die hohe Phosphat- Konzentration ist davon auszugehen, daß sich in den Nukleotidbindungstaschen des Proteins neben ADP freie Phosphat-Ionen befinden. Die Konformation entspricht also dem Zustand unmittelbar nach der ATP-Spaltung. Wird die Probe auf 50°, die physiologische Temperatur von T. acidophilum, erwärmt, schließt sich das Thermosom in Anwesenheit von ATP. In Kombination mit den Messungen an anderen Thermosom-Nukleotid-Komplexen konnten damit Zwischenzustände im strukturellen Reaktionszyklus des Chaperonins charakterisiert werden. - Bei einer Reihe von Pufferbedingungen wurde die Bildung von Komplexen höherer Ordnung beobachtet. Von anderen Autoren war aufgrund von EM-Arbeiten vorgeschlagen worden, daß Thermosom kein Chaperonin, sondern ein Baustein des Cytoskeletts ist (Trent et al., 1997, 1998). Für die von uns gefundenen Strukturen sind Thermosom-Filamente jedoch keine befriedigenden Modelle. Da sich diese Komplexe höherer Ordnung in der Lösung außerdem bei einer Annäherung an physiologische Bedingungen auflösen, kann davon ausgegangen werden, daß sie in vivo nicht relevant sind. methodische Ergebnisse - Es wurde gezeigt, daß GroEL und GroES einen sehr homogenen Deuterierungsgrad haben, wenn die Bakterien vor der Reinigung unter gut kontrollierten Wachstumsbedingungen im Fermenter gezogenen werden. Das Protein erscheint dann in Kontrastausgleichsexperimenten im geeigneten Puffer, in unserem Fall nahe 99% D2O, als unsichtbar. - In einer Reihe von „stopped-flow“-Messungen wurde gezeigt, daß mit SANS (bei einer Aufsummierung von Daten mehrerer Messungen) grundsätzlich eine Zeitauflösung bis in den Sekundenbereich bei Experimenten an GroEL oder vergleichbar großen Molekülen möglich ist. Um biologisch relevante Ergebnisse erreichen zu können, ist jedoch weitere Arbeit an der Instrumentierung, speziell der Mischapparatur nötig.

Die Aktivierung von T-Lymphozyten ist ein essentieller Prozeß für die Regulation der adaptiven Immunantwort. Hierbei werden in Folge einer Antigen-Exposition über verschiedene Oberflächenrezeptoren intrazelluläre Signaltransduktionsprozesse initiiert, welche in einer klonalen Expansion von T-Lymphozyten sowie deren Differenzierung zu Effektor- oder Gedächtniszellen resultieren. Die Spezifität dieser Prozesse wird durch die Wechselwirkung zwischen dem jeweiligen T-Zell-Antigenrezeptor (TCR) und einem Antigen-beladenen MHC-Molekül vermittelt, einer Interaktion, die allerdings nicht hinreichend für eine vollständige und dauerhafte Aktivierung der T-Zelle ist. Hierzu ist die Aktivierung sogenannter akzessorischer Oberflächenrezeptoren nötig, welche sowohl zur Verstärkung der Zell-Zell-Adhäsion als auch zur Induktion intrazellulärer Signalwege beitragen. Ein costimulatorisches Signal für naive T-Lymphozyten vermittelt zum Beispiel das CD28-Molekül, wodurch der Übergang dieser Zellen in einen anergischen Zustand verhindert und Zellproliferation ermöglicht wird. Zur Verstärkung der Zell-Zell-Interaktion tragen demgegenüber vor allem Adhäsionsmoleküle wie Selektine, Cadherine und Integrine bei. Der einzige Vertreter der β2-Integrinfamilie auf Lymphozyten, LFA-1, stand im Zentrum der im Folgenden beschriebenen Analysen. Es gab bereits Anhaltspunkte dafür, daß LFA-1 neben seiner Adhäsionsfunktion auch in Signaltransduktionsprozesse involviert ist. Allerdings sind die molekularen Mechanismen der LFA-1-vermittelten Signalwege bislang unvollständig charakterisiert. Dies liegt vor allem darin begründet, daß eine hochaffine Ligandenbindung erst nach einer Konformationsänderung des Integrins erfolgen kann. Eine solche Aktivierung des Integrins wird beispielsweise durch Stimulation der T-Lymphozyten über den T-Zell-Antigenrezeptor induziert, wodurch sich jedoch LFA-1-abhängige Signale mit denen des TCRs überlagern. Daher wurde im Verlauf der hier vorliegenden Arbeit ein auf Fusionsproteinen basierendes experimentelles System etabliert, welches eine aktivierungsunabhängige Untersuchung der LFA-1-vermittelten Signaltransduktion ermöglicht. Hierdurch wurde gezeigt, daß in humanen T-Lymphozyten die Aggregation der zytoplasmatischen Domäne der Integrin β2-Kette (CD18-Untereinheit) zur Erhöhung der intrazellulären Calciumkonzentration, zur IL-2-Promotoraktivierung sowie zum Anstiegs des Phosphotyrosingehalts zellulärer Proteine führte. Die Modulation dieser charakteristischen T-Zell- Aktivierungsparameter wird durch die zytoplasmatische Domäne der β2-Untereinheit von LFA-1 induziert, nicht aber durch die intrazellulären Anteile der Integrin αL- bzw. β1-Kette. Weiterhin konnte demonstriert werden, daß ein für die β2-Untereinheit spezifisches NPXFSequenzmotiv für deren Signalfunktion erforderlich ist. Dieselbe Region ist ebenso für die Signaltransduktion des nativen LFA-1-Gesamtmoleküls von elementarer Bedeutung. Überdies zeigten Untersuchungen in TCR-defizienten T-Zellen, daß die Oberflächenexpression des T-Zell-Rezeptors für den LFA-1-induzierten Signalweg essentiell ist. Demgegenüber erfolgte die intrazelluläre Calciummobilisierung durch das CD28-Molekül auch unabhängig von einer Expression des TCRs. Insgesamt konnte durch die vorliegenden Analysen die wesentliche Bedeutung des zytoplasmatischen Anteils der β2-Untereinheit des LFA-1-Integrins für den Prozeß der T-Zell-Aktivierung dokumentiert werden. Darüberhinaus wurde eine bisher unbekannte funktionelle Kooperativität zwischen LFA-1 und Komponenten des T-Zell-Antigenrezeptors aufgezeigt.

Das Leukocyten-spezifische Integrin LFA-1 spielt eine wichtige Rolle bei der Immunantwort, durch die Vermittlung dynamischer Zell-Zell- bzw. Zell-Matrix-Interaktionen. Die kontrollierte Adhäsion bzw. Deadhäsion von Leukocyten bedarf einer spezifischen Regulation des LFA-1-Integrins und die Aufklärung der molekularen Grundlagen dieser Vorgänge ist von großem Interesse. Cytohesin-1 war unmittelbar vor Beginn dieser Arbeit als cytoplasmatischer Regulationsfaktor der durch LFA-1 vermittelten Zelladhäsion identifiziert worden und seine spezifische Interaktion mit der cytoplasmatischen Domäne von CD18 konnte in vitro dokumentiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit gelang es zunächst, die Assoziation von Cytohesin-1 und LFA-1 auch endogen, im intakten Zellverband, mittels Kolokalisationsstudien in der lymphoblastoiden B-Zellinie LCL-721, zu demonstrieren. Ferner konnte mit Hilfe von Mutationsanalysen die, für die Interaktion kritische Region in der cytoplasmatischen Domäne von CD18 lokalisiert werden. Sie befindet sich im aminoterminalen Bereich und umfaßt die Aminosäuren WKA(723 - 725). Die Mutation dieser Aminosäurereste nach TRG resultierte in einem vollständigen Interaktionsverlust mit Cytohesin-1. Die Inhibition der Cytohesin-1/CD18-Bindung konnte dabei sowohl durch Protein-Protein-Interaktionsanalysen in Hefe als auch durch biochemische Bindungsstudien in vitro dokumentiert werden, wobei jeweils Fusionsproteine der cytoplasmatischen Domäne von CD18 charakterisiert wurden. Funktionale Analysen der WKA(723-725)-Region von CD18 ergaben, daß die Mutation von WKA(723-725) nach TRG im intakten LFA-1-Molekül eine signifikante Reduktion der Integrin- Aktivität zur Folge hatte. Sowohl T-Zellklone als auch nicht hämatopoetische Zellen, wie HeLa, wiesen nach Expression von LFA-1(TRG), mit Hilfe rekombinanter Vaccinia- Viren, eine stark reduzierte Adhäsionsfähigkeit an immobilisiertes ICAM-1 auf. Ferner ergaben funktionale Studien mit HeLa-Zellen, die LFA-1 stabil exprimierten, daß Cytohesin-1 nur dann eine gesteigerte Adhäsion dieser Zellen an ICAM-1 induzierte, wenn sie Wildtyp-LFA-1 exprimierten. HeLa-Zellen, die LFA-1(TRG) exprimierten, ließen sich durch Cytohesin-1 zu keiner verstärkten Adhäsion aktivieren. Diese Ergebnisse demonstrierten die Bedeutsamkeit der Cytohesin-1/CD18-Interaktion für eine effiziente, durch LFA-1 vermittelte Zelladhäsion. Unklar war jedoch der Mechanismus, durch den Cytohesin-1 die Integrin/Liganden-Bindung regulierte. Studien mit dem Reporterantikörper 24 ließen darauf schließen, daß Cytohesin-1 durch die Bindung an CD18 eine Konformationsänderung in der extrazellulären Domäne des LFA-1-Integrins induzieren konnte, die möglicherweise die Affinität des Rezeptors modulierte. Diese Modulation der LFA-1-Konformation schien jedoch nicht hinreichend für eine stabile Bindung an ICAM-1 zu sein, wie eingehendere Analysen von Dr. W. Kolanus zeigten. Vielmehr erforderte eine effiziente Zelladhäsion zusätzlich die Guaninnukleotid-Austauschfunktion (GEF-Funktion) von Cytohesin-1, da die GEF-defekte Punktmutante, Cytohesin-1(E157K), nicht mehr in der Lage war, die Adhäsion von Jurkat E6-Zellen an ICAM-1 stabil zu induzieren. Biochemische Interaktionsstudien konnten dabei zeigen, daß die Mutante weiterhin fähig war, die cytoplasmatische Domäne von CD18 zu binden. Diese und weitere Ergebnisse von Dr. W. Nagel, die einen Zusammenhang zwischen der GEF-Funktion von Cytohesin-1 und dem „Spreading“ von adhärenten Jurkat E6-Zellen aufzeigten, legen die Vermutung nahe, daß Cytohesin-1 durch einen dualen Mechanismus in die LFA-1-Regulation involviert ist. Sowohl die direkte Interaktion von Cytohesin-1 und dem Integrin als auch seine GEF-Funktion stellen essentielle Faktoren für eine stabile Zelladhäsion, die durch LFA-1 vermittelt wird, dar. Welche funktionalen Mechanismen dabei durch den Guaninnukleotid-Austausch und der damit verbundenen Aktivierung einer GTPase induziert werden, ist noch unklar. Primär wäre eine Modulation des Aktin-Cytoskelettes und eine damit verbundene erhöhte laterale Mobilität der Integrine denkbar, die eine verstärkte Rezeptormultimerisierung und dadurch eine Aviditätsänderung des Integrins ermöglicht. Weitere Studien dieser Arbeit analysierten die Regulation von Cytohesin-1 selbst. Es konnte gezeigt werden, daß PI3-Kinase in die Kontrolle der Cytohesin-1-Funktion involviert war. Die Überexpression einer konstitutiv aktiven Form dieser Kinase (P110*) führte zu einer gesteigerten Adhäsion von Jurkat E6-Zellen an ICAM-1. Eine Inkubation dieser Zellen mit dem PI3-Kinase-spezifischen Inhibitor Wortmannin resultierte dagegen in einer signifikanten Reduktion der Zelladhäsion. Weitere funktionale Analysen, die die Zelladhäsion von Jurkat E6-Zellen nach Koexpression von P110* und der PH-Domäne von Cytohesin-1 untersuchten, sowie eingehendere Studien von Dr. W. Nagel, ermöglichten die Entwicklung eines Modells zur Regulation von Cytohesin- 1. Demzufolge führt die Aktivierung der PI3-Kinase zu einer verstärkten Rekrutierung von Cytohesin-1 an die Plasmamembran. Als Rekrutierungsmodul fungiert dabei die PHDomäne, die durch Bindung von PtdIns(3,4,5)P3, einem Produkt der PI3-Kinase, die Assoziation mit der Membran gewährleistet. Die Rekrutierung von Cytohesin-1 an die Plasmamembran führt zur Aktivierung von LFA-1 und der damit verbundenen stabilen Zelladhäsion an ICAM-1.

In dieser Arbeit wurde die in den letzten Jahren entwickelte Technik der auf dem Kraftmikroskop basierenden Einzelmolekül-Kraftspektroskopie auf zwei spezielle Systeme angewendet: Poly(ethylen Glycol) (PEG) und das Membranprotein Bakteriorhodopsin. Im Vordergrund stand dabei die Analyse der mechanischen Stabilität von Sekundärstrukturen. PEG ist aufgrund seiner ungewöhnlich hohen Wasserlöslichkeit eines der wichtigsten Polymere mit einer Vielzahl von technischen Anwendungen. Es wurden Messungen zur Elastizität einzelner PEG in Abhängigkeit des Lösungsmittels durchgeführt. Mit diesen Messungen konnte der genaue molekulare Mechanismus nachvollzogen werden, der zu der hohen Wasserlöslichkeit führt. Zudem konnte gezeigt werden, wie mit einem einfachen Modell neben Konformationsänderungen auch Konformationsenergien des Polymers quantitativ bestimmt werden können. Die Kraftspektroskopie als Instrument zur Untersuchung von mechanisch induzierten Strukturänderungen, z.B. der Proteinentfaltung, wurde bisher immer nur auf polymere Strukturen angewendet. Ziel der Messungen an Bakteriorhodopsin war es zu zeigen, dass sich diese Technik auch auf Moleküle anwenden lässt, die nicht aus sich wiederholenden Einheiten aufgebaut sind. Es konnte der genaue Entfaltungsweg von Bakteriorhodopsin mit all seinen stabilen Zwischenstrukturen bestimmt werden. Mechanismen der Stabilisierung wie die Nachbarschaft von Helices, hydrophobe Wechselwirkung und der Einfluss räumlicher Einschränkung konnten dabei in ihren Auswirkungen auf die Stabilität der Proteinstruktur beobachtet werden.