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Allgegenwärtiges Amyloid

Viele, wenn nicht gar alle Proteine können eine Art von Fasern bilden, die bei bestimmten Krankheiten auftreten. Dies muß keine schlechte Nachricht sein, da gegen eine universelle Strukturbildung eventuell auch ein universeller Hemmstoff existiert.


Alzheimer-Syndrom, Rinderwahn, Diabetes und mehr als ein Dutzend weiterer Krankheiten haben eine wichtige Gemeinsamkeit: die Ansammlung von pathologischen, oft zerstörerisch wirkenden Fasern zwischen den Zellen eines Gewebes. Aus solchen Amyloidfibrillen bestehen unter anderem die von Alois Alzheimer (1864-1915) schon 1907 entdeckten Plaques im Gehirn von Patienten mit präseniler Demenz. Die Fasern verdanken ihren Namen der irrigen Annahme, ihre Zusammensetzung ähnele derjenigen von Stärke (Amylose). Inzwischen ist längst klar, daß sie aus "falsch" gefalteten körpereigenen Proteinen bestehen; doch wie und warum sie sich bilden, zeichnet sich erst jetzt langsam ab.

Dabei wird eines immer deutlicher: Es sind keineswegs nur als krankmachend verdächtigte Proteine, die sich zu faserigen Strukturen zusammenlagern können. So untersuchte Iñaki Guijarro in der Arbeitsgruppe von Chris Dobson am Oxford Centre for Molecular Sciences die Faltung der SH3-Domäne, die in den Eiweißstoffen höherer Lebewesen weit verbreitet ist. Diese modulartige unabhängige Struktureinheit kann gentechnisch hergestellt und wie ein einzelnes kleines Protein behandelt werden. Gegen Ende seines Projekts entdeckte Guijarro letztes Jahr eher zufällig, daß die SH3-Domäne in saurer Lösung Fibrillen bildet, die mit allen gängigen Methoden (Elektronenmikroskopie, Binden des Farbstoffs Kongorot, Röntgenstreuung) nicht von pathologischen Amyloidabscheidungen zu unterscheiden sind.

Seit diesem ersten Bericht über Faserbildung bei einem Protein, das mit keiner Krankheit in Verbindung gebracht wird, häufen sich analoge Meldungen. (In der Lebensmitteltechnologie waren faserige Aggregate schon seit Jahren bekannt, wurden aber bisher nicht mit Amyloid assoziiert.) Auch bei meinen eigenen Forschungsobjekten – drei Peptiden, die sich von dem bakteriellen Kälteschockprotein CspB ableiten – genügt eine Verschiebung in der Zusammensetzung des Lösungsmittelgemischs aus Acetonitril und Wasser, daß innerhalb einer Stunde im Elektronenmikroskop beobachtbare Fibrillen auftreten.

Andere Proteine können durch Ansäuern, leichtes Erwärmen oder Zusatz von Alkoholen wie Methanol oder Trifluorethanol dazu gebracht werden, Amyloidfasern zu bilden. Generell gilt, daß man nur eine geeignete Bedingung finden muß, um

• die spezifischen Kontakte zu unterbinden, welche die normale dreidimensionale Raumstruktur des Proteins stabilisieren, die in der Abfolge der Aminosäurebausteine (Sequenz) festgelegt ist,

• zugleich aber die einfacheren, wasserstoffverbrückten Strukturelemente wie a-Helix (korkenzieherartig) und b-Faltblatt (wellblechartig) zu bewahren.

In allen bekannten Amyloidfibrillen liegt die Aminosäurekette größtenteils als b-Faltblatt vor. Zudem scheinen die strukturellen Eigenschaften solcher Fasern von der Aminosäuresequenz unabhängig zu sein. Demnach spiegelt die b-Faltblatt-Bildung offenbar eine Neigung wider, die in der Chemie des Rückgrats der Aminosäurekette angelegt ist. In normalen, globulär gefalteten Proteinen würde diese Tendenz von den stärkeren sequenzspezifischen Wechselwirkungen überwunden.

Wie so oft in der Proteinbiochemie scheitert auch hier das tiefere Verständnis der molekularen Prozesse einstweilen daran, daß die Struktur der betreffenden Substanzen nicht genau genug bekannt ist. Allerdings hat sich die Entdeckung, daß die SH3-Domäne Amyloidfibrillen bildet, als Glücksfall erwiesen. Mit diesen in Oxford produzierten Fasern konnten Helen Saibil und ihre Mitarbeiter am Birkbeck College in London nämlich eine elektronenmikroskopische Strukturbestimmung durchführen, die immerhin noch Details mit Abmessungen von etwa 2,5 Nanometern lieferte; dazu mittelten die Forscher über zahlreiche analoge Bildabschnitte aus elektronenmikroskopischen Aufnahmen (EMBO Journal, Bd. 18, S. 815-821, 1999).

Demnach ist die Amyloidfaser ein seilartig gewundenes Bündel aus vier dünneren Strängen, den sogenannten Protofilamenten (Bild auf S. 16). Die Länge einer vollständigen Windung (von einem Kreuzungspunkt bis zum übernächsten, wenn sich die relative Orientierung der Stränge zueinander einmal um 360 Grad gedreht hat) beträgt etwa 120 Nanometer; charakteristische Verdickungen, die offenbar jeweils einem Proteinmolekül entsprechen, wiederholen sich alle 2,7 Nanometer.

Interessanterweise enthält die isolierte SH3-Domäne, deren normale Struktur in wäßriger Lösung bis auf die Position jedes einzelnen Atoms bekannt ist, ebenso wie die Amyloidfibrillen überwiegend b-Faltblätter. Dennoch können die Protofilamente nicht einfach aus aneinandergereihten SH3-Domänen bestehen: dazu sind sie schlichtweg zu dünn. Demnach muß eine grundlegende Umordnung stattfinden, in deren Verlauf sich die ursprünglichen b-Faltblätter auflösen und neu zusammensetzen, wobei möglicherweise Bindungen zwischen benachbarten Proteinmolekülen gebildet werden. Welches der verschiedenen vorgeschlagenen Strukturmodelle für die Fibrillen zutrifft, kann allerdings noch nicht entschieden werden; dazu reicht die Auflösung der von Saibil bestimmten Struktur nicht aus.

Da es bisher nicht gelungen ist, Amyloidfasern zu kristallisieren – Vorbedingung für eine hochauflösende Röntgenstrukturanalyse –, stellen die Fibrillen ein dankbares Forschungsobjekt für Verfahren dar, die kein ganz so detailliertes Bild liefern. Dazu gehört außer der Elektronen- auch die Rasterkraftmikroskopie. Bei dieser Methode, einer Abwandlung der 1979 von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer entwickelten Rastertunnelmikroskopie, wird das Untersuchungsobjekt auf einer glatten Oberfläche mit einer Sonde von atomaren Abmessungen schrittweise mechanisch abgetastet.

Die Arbeitsgruppe von Ueli Aebi am Biozentrum der Universität Basel hat solche Untersuchungen an Amyloidfibrillen von Amylin durchgeführt. Dieses nur 37 Aminosäuren lange Protein wird zusammen mit Insulin ausgeschüttet und bildet in den Langerhans-Inseln von Diabetikern faserige Abscheidungen. Für die ersten Aufnahmen erzeugten die Forscher die Fibrillen im Reagenzglas und überführten sie anschließend auf die Glimmerplättchen, die als atomar glatte Objektträger für die Rastersondenmikroskopie dienen. Beim Abtasten fanden sie Strukturen, die im wesentlichen mit den elektronenmikroskopisch ermittelten übereinstimmten.

Als nächstes wollten die Baseler Forscher die Fibrillen direkt auf den Glimmerplättchen wachsen lassen – in der Hoffnung, ihre Bildung so in Echtzeit verfolgen zu können. Doch dabei erlebten sie eine Überraschung: Statt rund 7 Nanometer dicken Fasern mit seilartiger Windung konnten sie nur noch dünnere Fäden von etwa 2,4 Nanometer Durchmesser und ohne erkennbaren Drehsinn ausmachen. Dennoch verhielten sich diese Strukturen wie Amyloidfibrillen. Die Schlußfolgerung liegt nahe, daß es sich um isolierte Protofilamente handelte. Offenbar hafteten sie so fest am stark mit ihnen wechselwirkenden Glimmerplättchen, daß sie nicht imstande waren, sich zu Fibrillen umeinanderzuwickeln.

Immerhin ließ sich ihr Wachstum verfolgen. Wiederholtes Abtasten derselben Oberfläche ergab, daß sie sich im Gegensatz etwa zu den röhrenartigen Mikrotubuli des Zellskeletts an beiden Enden gleichzeitig verlängern – und zwar um etwa einen Nanometer pro Minute. Diese Beobachtung beweist zugleich, daß die Protofilamente tatsächlich ein Konstruktionselement sind, das sich unabhängig von den höheren Strukturen ausbilden kann. Prinzipiell wären auch andere Mechanismen denkbar: etwa daß die Fibrillen durch Anlagerung von Ringen aus jeweils vier Untereinheiten oder in einem der Schraubenwindung folgenden Wachstumsprozeß entstehen.

Mit den jüngsten Erkenntnissen steigen auch die Chancen, Inhibitoren ausfindig zu machen oder zu konstruieren, die das Faserwachstum unterbinden können. Einige derartige Substanzen sind bereits bekannt – darunter eine, die sich besonderer Forschungsförderung von Seiten der Tabakindustrie erfreut, nämlich das Nikotin. Die Erkenntnis, daß viele, wenn nicht gar alle Proteine unter bestimmten Umständen Amyloidfasern bilden können, dürfte die Aufmerksamkeit weg von den spezifischen Struktureigenschaften jener Proteine, die mit Amyloidkrankheiten zusammenhängen, und hin zu allgemeineren Prinzipien und Strategien lenken. Ein universell wirksamer und pharmakologisch geeigneter "Amyloidblocker" wäre ein Milliarden-Dollar-Molekül, das mehr als ein Dutzend Krankheiten lindern oder gar heilen könnte.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 5 / 1999, Seite 16
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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