Untersuchung des Tau-Proteins mit Hilfe von NMR-Spektroskopie

Investigation of the tau protein with the help of NMR spectroscopy

Das Tau-Protein bildet im Verlauf von zahlreichen Demenzen, mit Morbus Alzheimer als die bekannteste unter ihnen, Aggregate, die sogenannten „neurofibrillären Geflechte“, die aus Fibrillen, den „paired helical filaments“
Das Tau-Protein bildet im Verlauf von zahlreichen Demenzen, mit Morbus Alzheimer als die bekannteste unter ihnen, Aggregate, die sogenannten „neurofibrillären Geflechte“, die aus Fibrillen, den „paired helical filaments“ (PHFs) bestehen. Außerdem ist das Tau-Protein ein essentielles „microtubule-associated protein“, welches für die Aufrechterhaltung des neuronalen Zellmetabolismus notwendig ist. Dies veranlasste uns dazu, das Tau-Protein als Monomer, in der Mikrotubuli-gebundenen Form und als Fibrille zu charakterisieren. Die Technik, die wir hierzu verwendeten war die NMR-Spektroskopie, die als einzige strukturaufklärende Technik mit atomarer Auflösung dazu in der Lage ist, intrinsisch ungeordnete Proteine, wie das Tau-Protein, zu charakterisieren. Zwar war die Signalzuordnung der NMR-Spektren eine große Herausforderung, dennoch war es möglich praktisch alle Rückgratresonanzen sogar für die längste Tau-Isoform htau40 mit 441 Resten erfolgreich eindeutig zu identifizieren. Mit Hilfe der Zuordnung war es möglich das Tau-Protein bezüglich residualer Strukturelemente, Rückgratdynamik und Bindungsverhalten zu untersuchen. Wir konnten zeigen, dass in der C-terminalen Hälfte des Tau-Proteins, in welcher eine charakteristische Domäne vorliegt, die durch vier imperfekte „repeat“-Regionen (Länge ist jeweils ca. 31 Reste) gekennzeichnet ist, partieller beta-Strukturcharakter vorliegt. Ebenfalls weist diese Region eine verhältnismäßig hohe Rigidität auf. Aus diesem Grund betrachten wird diesen sequentiellen Bereich als den Aggregationskeim, was auch durch die Beobachtung verstärkt wird, das genau diese Zone den rigiden Teil der Fibrillen bildet. Diese aggregationsanfällige Region bindet gleichzeit stark an Mikrotubuli, wodurch ihre Pathogenität im gesunden biologischen System blockiert sein sollte. Mutationen oder Instabilität in den Mikrotubuli können jedoch dazu führen, dass immer höhere Mengen an Tau in freier gelöster Form vorliegen, sich Dimere ausbilden, welche dann weiter aggregieren und schließlich PHFs bilden, die eine starke cross-beta-Struktur aufweisen. Die übrigen Bereiche, wie die N-terminale Hälfe oder die äußersten 50 C-terminalen Reste weisen hingegen einen partiellen alpha-helikalen Charakter auf und eine höhere Peptidrückgratflexibilität. Deshalb kann man diese Elemente als aggregationsinhibierend betrachten. Das genauere Zusammenspiel dieser Elemente muss noch aufbauend auf der vorliegenden Dissertation verstärkt im Detail untersucht werden.
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The tau protein forms in the progress of several dementias, with Alzheimer’s disease as most common among them, aggregates, the so-called ‘neurofibrillary tangles’, which consist of “paired helical filaments” (PHFs). Fur
The tau protein forms in the progress of several dementias, with Alzheimer’s disease as most common among them, aggregates, the so-called ‘neurofibrillary tangles’, which consist of “paired helical filaments” (PHFs). Furthermore, the tau protein is an essential microtubule-associated protein, which is necessary for the maintenance of neuronal cell metabolism. This prompted us to characterize the tau protein in monomeric form, in microtubule-bound state and as fibril. The technique of choice was NMR spectroscopy, which is the only technique for structure elucidation at atomic resolution, which can deal with intrinsically disordered proteins. The assignment of NMR resonances is the basis for all work with NMR spectroscopy. This task was quite challenging, but could be nevertheless accomplished even for the longest tau isoform htau40 with 441 residues. With the help of the assignment it was possible to characterize the tau protein concerning residual structure elements, backbone dynamics and binding behaviour. We could show, that in a C-terminal region, which encompasses four characteristic imperfect repeats (length ~31 residues), contains partial beta-structure character. Moreover, this sequential area exhibits high backbone rigidity. Due to this fact we consider this domain as seed of aggregation, which is underlined by the observation that this sequential part forms the the core of Alzheimer fibrils. Interestingly, this aggregation-prone region binds to microtubules most strongly, which causes the blocking of these seeds of aggregation in a healthy biological system. However, in the case of mutations or microtubule instability it is possible to observe rising concentrations of free tau protein, which is then capable of aggregating. The protein parts surrounding this aggregation-prone segments contain alpha-helical character and a higher peptide backbone flexibility, which enables them to inhibit aggregation of the tau protein. The exact characterization of the interaction of these different parts of the protein is, however, beyond the scope of this thesis.
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Metadaten
Author:Marco Daniel Mukrasch
URN:urn:nbn:de:hebis:30-55028
Referee:Christian Griesinger, Harald Schwalbe
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2008/05/16
Year of first Publication:2007
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2008/05/05
Release Date:2008/05/16
Tag:Alzheimer's disease ; aggregopathy; multidimensional nmr spectroscopy ; tau protein
SWD-Keyword:Alzheimer-Krankheit ; Amyloid; Dreidimensionale NMR-Spektroskopie ; Tau-Protein
Pagenumber:259
HeBIS PPN:198602987
Institutes:Biochemie und Chemie
Dewey Decimal Classification:570 Biowissenschaften; Biologie
Sammlungen:Universitätspublikationen
Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

$Rev: 11761 $