Alzheimer-Fibrillen: Kryo-Elektronenmikroskopie enthüllt neue Details

Ein deutsch-nie­der­län­di­sches For­scher­team hat die Struk­tur einer Amy­lo­id-Fibril­le in bis­lang uner­reich­ter Auf­lö­sung ent­schlüs­selt.

Fasern aus dem kör­per­ei­ge­nen Pro­te­in Amy­lo­id-beta (Aß) sind der Haupt­be­stand­teil krank­haf­ter Eiweiß­ab­la­ge­run­gen im Gehirn. Die­se gel­ten als zen­tra­les Kenn­zei­chen der Alz­hei­mer­schen Demenz. Das atom­ge­naue Modell der Wis­sen­schaft­ler des For­schungs­zen­trums Jülich, der Hein­rich-Hei­ne-Uni­ver­si­tät Düs­sel­dorf, des Ham­bur­ger Cent­re for Struc­tu­ral Sys­tems Bio­lo­gy sowie der Uni­ver­si­tät Maas­tricht zeigt bis­lang unbe­kann­te struk­tu­rel­le Details, mit denen sich vie­le Fra­gen zum Wachs­tum der schäd­li­chen Abla­ge­run­gen sowie zur Wir­kung gene­ti­scher Risi­ko­fak­to­ren erklä­ren las­sen.

Die mit­tels Kryo-Elek­tro­nen­mi­kro­sko­pie gewon­ne­ne Struk­tur zeigt, wie sich die scheib­chen­wei­se über­ein­an­der­lie­gen­den Eiweiß­bau­stei­ne, Aβ-Pro­te­ine, zu Fasern anord­nen, die auch als „Pro­to­fi­la­men­te“ bezeich­net wer­den. Je zwei die­ser sich umein­an­der dre­hen­den Pro­to­fi­la­men­te bil­den gemein­sam eine Fibril­le aus. Wenn sich meh­re­re die­ser Fibril­len mit­ein­an­der ver­knäu­eln, ent­ste­hen die typi­schen Abla­ge­run­gen oder „Plaques“, wie sie sich im Gehirn­ge­we­be von Alz­hei­mer-Pati­en­ten nach­wei­sen las­sen.

Ami­no­säu­ren iden­ti­fi­ziert

Dies ist ein Mei­len­stein auf dem Weg zu einem grund­le­gen­den Ver­ständ­nis amy­loider Struk­tu­ren und den damit zusam­men­hän­gen­den Krank­hei­ten“, sag­te Prof. Die­ter Will­bold, Insti­tuts­lei­ter am For­schungs­zen­trum Jülich und der Hein­rich-Hei­ne-Uni­ver­si­tät Düs­sel­dorf. „Die Fibril­len­struk­tur erklärt mit einem Schlag vie­le Fra­gen zum Mecha­nis­mus des Fibril­len­wachs­tums und die Rol­le einer gan­zen Rei­he von gene­ti­schen Fak­to­ren bei der Ent­ste­hung von Alz­hei­mer“, so Will­bold.

Die erziel­te Auf­lö­sung von 4 Angst­röm, das ent­spricht 0,4 Nano­me­ter, liegt im Bereich der typi­schen Grö­ßen­ord­nung von Atom­ra­di­en und Atom­bin­dungs­län­gen. Das Modell zeigt anders als bis­he­ri­ge Arbei­ten erst­mals die genaue Lage und die Wech­sel­wir­kun­gen der Pro­te­ine unter­ein­an­der. Die Aß-Mole­kü­le der umein­an­der gewun­de­nen Pro­to­fi­la­men­te lie­gen sich dem­nach nicht genau auf glei­cher Höhe gegen­über, son­dern sind wie bei einem Reiß­ver­schluss um einen hal­ben Abstand über­ein­an­der ver­setzt. Zudem las­sen sich in dem Modell erst­mals alle 42 Ami­no­säu­re­res­te iden­ti­fi­zie­ren, aus denen jedes ein­zel­ne Aß-Pro­te­in besteht.

Damit gibt es nun eine neue Basis, den struk­tu­rel­len Effekt einer Rei­he von gene­ti­schen Ver­än­de­run­gen zu ver­ste­hen, die das Krank­heits­ri­si­ko erhö­hen: Sie sta­bi­li­sie­ren die Fibril­len – wie man jetzt sehen kann – durch Ände­run­gen im Bau­plan des Pro­te­ins an defi­nier­ten Stel­len. Umge­kehrt erklärt sich auch, war­um Mäu­se in der Natur kein Alz­hei­mer bekom­men oder eine klei­ne islän­di­sche Bevöl­ke­rungs­grup­pe bei­na­he resis­tent gegen die Krank­heit zu sein scheint: Ihre Vari­an­ten des Pro­te­ins unter­schei­den sich in einer oder meh­re­ren Ami­no­säu­ren, die für den Zusam­men­halt der Fibril­len anschei­nend maß­geb­lich von Bedeu­tung sind.

Metho­di­sche Viel­falt auf höchs­tem tech­ni­schen Niveau

Anders als die krank­heits­ty­pi­schen Plaques, die Alois Alz­hei­mer vor über 100 Jah­ren ent­deck­te, ließ sich die nun ermit­tel­te Struk­tur der Fibril­len nicht direkt unter dem Mikro­skop beob­ach­ten. Über ein Jahr dau­er­te die Ana­ly­se der Daten, die die For­scher mit­tels Kryo-Elek­tro­nen­mi­kro­sko­pie an der Uni­ver­si­tät Maas­tricht gewon­nen hat­ten. Zudem tru­gen Mes­sun­gen mit­tels Fest­kör­per-Kern­re­so­nanz-Spek­tro­sko­pie und Rönt­gen­dif­frak­ti­ons-Expe­ri­men­te dazu bei, das Bild der Fibril­len­struk­tur zu ver­voll­stän­di­gen und die gewon­ne­nen Daten zu vali­die­ren.

Die ein­zel­nen Auf­nah­men in der Kryo-Elek­tro­nen­mi­kro­sko­pie sind meis­tens extrem ver­rauscht, weil Pro­te­ine sehr emp­find­lich gegen­über Elek­tro­nen­strah­lung sind und die Bil­der nur mit einer gerin­gen Strah­lungs­in­ten­si­tät erzeugt wer­den kön­nen“, erklärt Jun.-Prof. Gun­nar Schrö­der vom For­schungs­zen­trum Jülich und der Hein­rich-Hei­ne-Uni­ver­si­tät Düs­sel­dorf. Mit­hil­fe eines com­pu­ter­ge­stütz­ten Ver­fah­rens hat­te er Tau­sen­de Ein­zel­bil­der kom­bi­niert und so die hoch­auf­ge­lös­ten Struk­tur­da­ten aus den Auf­nah­men extra­hiert.

Das ist ein Schritt, der sehr kom­pli­ziert sein kann, wenn die Pro­be hete­ro­gen ist, also aus vie­len unter­schied­lich geform­ten Fibril­len besteht. Bei den Amy­lo­id-Fibril­len war das bis­her fast immer der Fall und stell­te eines der wesent­li­chen Hin­der­nis­se für die Ana­ly­se dar. Aber nun hat­ten wir eine ziem­lich ein­zig­ar­ti­ge Pro­be mit sehr homo­ge­nen Fibril­len – 90 Pro­zent hat­ten die glei­che Län­ge und Sym­me­trie“, so Schrö­der.

Die Her­stel­lung der Pro­be war Dr. Lothar Gre­mer vom For­schungs­zen­trum Jülich und der Hein­rich-Hei­ne-Uni­ver­si­tät Düs­sel­dorf geglückt. „Ent­schei­dend war es, das Wachs­tum der Fibril­len in der Pro­be sehr stark zu ver­lang­sa­men, von eini­gen Stun­den auf meh­re­re Wochen. Dadurch hat­ten die Aß-Ein­zel­mo­le­kü­le genü­gend Zeit, sich sehr gleich­mä­ßig und hoch­ge­ord­net zu homo­ge­nen Fibril­len anzu­ord­nen“, so Gre­mer, der die Stu­die initi­iert und koor­di­niert hat.

Unter­su­chun­gen der Pro­be mit­tels Fest­kör­per-NMR-Spek­tro­sko­pie lie­fer­ten zusätz­li­che Daten für das Erstel­len des Modells und hal­fen dabei, die Rich­tig­keit der ermit­tel­ten Struk­tur zu über­prü­fen. „Mit NMR konn­ten wir wei­te­re Din­ge erken­nen, zum Bei­spiel, wel­che Ami­no­säu­re­res­te Salz­brü­cken bil­den, die der Fibril­le Fes­tig­keit geben“, erklärt Prof. Hen­ri­ke Hei­se von der Hein­rich-Hei­ne-Uni­ver­si­tät Düs­sel­dorf und dem Jüli­cher Bio­mo­le­ku­la­ren NMR-Zen­trum. Rönt­gen­dif­frak­ti­ons-Expe­ri­men­te unter Lei­tung von Prof. Jörg Labahn am Ham­bur­ger Cent­re for Struc­tu­ral Sys­tems Bio­lo­gy bestä­tig­ten die Ergeb­nis­se zusätz­lich.

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