Ergebnisbericht 2010/11 - Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung

WISSENSCHAFTLICHER ERGEBNISBERICHT | Infektion und Immunität | Mikrobielle Pathogenese 73
01.5 Strukturelle und mechanistische Analyse
funktioneller Amyloide
PROJEKTLEITERIN | Prof. Dr. Christiane Ritter | Nachwuchgruppe Makromolekulare Interaktionen |
cri07@helmholtz-hzi.de
PROJEKTMITARBEITER | Agnes Zimmer | Madhu Nagaraj | Johannes Spehr | Tobias Schubeis
Amyloide sind geordnete Proteinfasern (sog. Fibrillen), die
sowohl mit schweren Krankheiten – durch Proteinfehlfaltung
ausgelöst –, als auch mit nützlichen Zellfunktionen zusammenhängen.
In den letzten Jahren wurde gezeigt, dass viele
Bakterien fi brilläre Adhäsine ausbilden, die eine Amyloidähnliche
Struktur ausbilden. In natürlich vorkommenden
bakteriellen Biofi lmen wiesen bis zu 40 % der anwesenden
Spezies solche Strukturen auf. Einige von ihnen erhöhen die
Virulenz der Bakterien, indem sie z.B. für die Ausbildung
von Biofi lmen wichtig sind, Interaktionen mit dem Wirt
vermitteln oder die Adaptation an verschiedene Umweltbedingungen
erleichtern. Im Gegensatz zu Amyloiden,
die mit Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson oder den
Prion-Erkrankungen assoziiert sind, sind diese funktionalen
Amyloide jedoch nicht toxisch.
Der Schwerpunkt unserer Forschung liegt auf der Aufklärung
der strukturellen und mechanistischen Grundlage dieser
Funktionen für ausgewählte bakterielle und pilzliche Amyloide.
Instrumente zur Bestimmung der Struktur von Amyloidfi
brillen Hochaufl ösende, strukturelle Informationen über
natürlich vorkommende Amyloide sind rar, da aufgrund
ihrer Größe und nichtkristallinen Struktur etablierte Strukturanalysetechniken
nur eingeschränkt nutzbar sind. Daher
haben wir eine neue, allgemein anwendbare Methode erarbeitet,
bei der die Struktur der Amyloidfi brillen über Kernmagnetresonanz
(NMR)-detektierten Wasserstoffaustausch,
Festkörper-NMR und weitere spektroskopische Techniken
ermittelt werden kann. Festkörper-NMR ist eine neue Methode
zur Bestimmung hochaufgelöster Proteinstrukturen mit
hohem Potential für fi brilläre Proteine. Wir etablieren diese
Methode am HZI und entwickeln biochemische Ansätze zur
selektiven Isotopenmarkierung der Proteinproben.
Curli: eine Virulenz-verstärkende Amyloidhülle Curli
ist die wichtigste Proteinkomponente der extrazellulären
Matrix, die Enterobacteriaceae, wie z.B. E. coli und Salmonella
typhimurium, produzieren. Curli-Fibrillen sind an der
Adhäsion an biotischen und abiotischen Oberfl ächen und
an der Bildung von Biofi lmen beteiligt. Ihre Interaktion mit
spezifi schen Wirtsproteinen ermöglicht das Eindringen der
Bakterien in die Wirtszellen und führt zu Entzündungen und
Sepsis. In vivo wird die Fibrillenbildung der Hauptkomponente
von Curli, CsgA, exklusiv durch das homologe Protein
CsgB initiiert. Um die Funktionalitäten von CsgA und CsgB
zu verstehen, analysieren wir die Strukturen, die Kinetik
der Fibrillenbildung und die thermodynamische Stabilität
der von beiden Proteinen gebildeten Fibrillen. Außerdem
untersuchen wir die Struktur und Funktion von Proteinen,
extracellular space
Modell der Curli-Biogenese. Die Expression der Curli-Untereinheiten
wird durch den positiven Transkriptionsregulator CsgD
kontrolliert. CsgA ist die strukturelle Hauptkomponente. Um Curli-
Fasern bilden zu können, benötigt es das homologe Protein CsgB
als Nukleator. CsgG ist ein Membrankanal, der für den Export
der Strukturproteine notwendig ist, und CsgE und CsgF sind molekulare
Chaperone, die für die korrekte Ausbildung der Curli-Fasern
notwendig sind. Die Vergrößerung zeigt ein Modell eines
einzelnen CsgA Moleküls innerhalb der fi brillären Curli-Struktur,
das basierend auf Wasserstoffaustauschdaten berechnet wurde.
die in vivo für die Biogenese von Curli-Fimbrien essenziell
sind. Ein mechanistisches Verständnis der Curli-Biogenese
wird es erlauben, neue Ansatzpunkte zu identifi zieren, um
die Ausbildung dieser Strukturen zu verhindern und so die
Virulenz der Bakterien zu reduzieren.
HET-s: ein funktionelles Prion aus Fadenpilzen Einige
der heute bekannten Amyloide sind in der Lage, sich in vivo
selbst zu replizieren und sind somit Prionen (infektiöse
Proteine). Um die molekularen Grundlagen für die Infektiösität
von Amyloiden zu verstehen, untersuchen wir die
biophysikalischen Eigenschaften des funktionellen Prionproteins
HET-s aus dem Fadenpilz Podospora anserina, sowie
die Eigenschaften eines homologen Proteins aus Fusarium
graminearum. Trotz erheblicher Unterschiede in der Aminosäuresequenz
sind die Amyloide der beiden Proteine für den
jeweils anderen Organismus infektiös, d.h. es besteht keine
Speziesbarriere. Mit Hilfe von Wasserstoffaustauschexperimenten
konnten wir zeigen, dass dieses Verhalten auf einer
hochkonservierten Struktur der Fibrillen beruht.
Wasmer, C., Zimmer, A., Sabate, R., Soragni, A., Saupe, S.J., Ritter, C., and Meier, B.H.
(2010). Structural Similarity between the Prion Domain of HET-s and a Homologue
Can Explain Amyloid Cross-Seeding in Spite of Limited Sequence Identity. Journal of
Molecular Biology 402(2): 311-325.
Greenwald, J., Buhtz, C., Ritter, C., Kwiatkowski, W., Choe, S., Maddelein, M.L., Ness,
F., Cescau, S., Soragni, A., Leitz, D., Saupe, S.J., and Riek, R. (2010). The Mechanism of
prion inhibition by HET-S. Molecular Cell 38: 889-899.