Funktionale Charakterisierung herzmuskelspezifischer Proteinvarianten

Dieding M (2016)
Bielefeld: Universität Bielefeld.

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Bielefeld Dissertation | German
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Genetisch bedingte Kardiomyopathien sind schwere Erkrankungen des Herzmuskels. Sie führen oft zu Herzinsuffizienz, deren einzige kausale Therapie die Herztransplantation ist. Die genetische Prädisposition der Kardiomyopathie ist zudem die Hauptursache für den plötzlichen Herztod bei jungen Sportlern (D’Silva u. a. 2015).
Ursächlich für die Erkrankung sind Mutationen in verschiedensten Genen. Die Mechanismen, die von der genetischen Veränderung zu einer Symptomatik führen, sind bisher nur teilweise verstanden. Häufig zeigt der Genotyp eine unvollständige Penetranz und bildet variable Phänotypen aus. Um die Mechanismen und damit die Ursache der Erkrankung zu verstehen, ist die interdisziplinäre Forschung von medizinischen, biochemischen und biophysikalischen Ansätzen erforderlich. Wird beispielsweise in Verbindung mit einer Erkrankung eine neue Genvariante entdeckt, helfen funktionale biophysikalische und biochemische Analysen die molekularen und zellularen Effekte der Genvariation aufzuklären und zu klassifizieren (Richards u. a. 2015). Die Klassifizierung findet Anwendung in der genetischen Beratung der betroffenen Familien.
Mutationen, die im Zusammenhang mit Kardiomyopathien stehen, kodieren verschiedene Proteine in Herzmuskelzellen. Von diesen wurden in der vorliegenden Arbeit die Proteine Desmin und Desmoglein2 biophysikalisch charakterisiert.
Das Intermediärfilament Desmin ist ein wichtiger Bestandteil des Cytoskeletts der Muskelzelle. Desminfilamente bilden ein flexibles Gerüst im Cytoplasma und geben der Zelle strukturellen und mechanischen Halt. Mutationen im Desmin-Gen (DES) verursachen eine große Bandbreite schwerer Skelett- und Herzmuskelerkrankungen.
Das Cadherin Desmoglein gehört zu den Desmosomen, welche punktuell zwei Zellen mechanisch miteinander verknüpfen. Desmoglein2 ist eines von zwei Transmembranproteinen des kardialen Desmosoms, deren extrazellulare Domänen den Raum zwischen den Zellen überbrücken und mit gegenüberliegenden Domänen einen adhäsiven Kontakt herstellen. Somit erhalten Desmosomen die mechanische Integrität des Herzmuskels. Mutationen im Desmoglein2-Gen (DSG2) sind häufig Ursache der seltenen arrhythmogenen rechtsventrikulären Kardiomyopathie.
Die Erforschung der Eigenschaften und Funktionen des Proteinwildtyps auf molekularer Ebene und der zellulare Kontext sind essenziell für das Verständnis der Pathomechanismen von Proteinvarianten. Vor diesem Hintergrund wurden die isolierten Proteine mittels Rasterkraftmikroskopie und -spektroskopie untersucht. Das Rasterkraftmikroskop (AFM) ist ein vielseitiges Instrument mit dem biologische Proben abgebildet und auf mechanische Eigenschaften untersucht werden können. Neben einem konventionellen AFM-Setup wurde ein aperturloses optisches Rasternahfeldmikroskop genutzt, welches - zusätzlich zur Topografie - Fluoreszenz detektieren kann.
Die Eigenschaft von Desmin zu Filamenten zu assemblieren lag im Fokus bei diesem Protein beziehungsweise Proteinkomplex. Die in vitro assemblierten Desminfilamente wurden mit AFM und aperturlosem optischen Rasternahfeldmikroskop abgebildet. Dabei lag der Forschungsschwerpunkt bei dem Vergleich des Assemblierungsverhaltens von verschiedenen Varianten mit dem Wildtyp. Es wurde sowohl die homophile Assemblierung als auch die heterophile Assemblierung, also ein Gemisch aus Wildtyp und der jeweiligen Variante, untersucht. Einige der untersuchten Desminvarianten zeigten schwere Beeinträchtigung bei der Bildung zu nativen Filamenten.
Unter dem Aspekt der Bindungseigenschaften wurde die adhäsive Region von Desmoglein2 untersucht. Mit dynamischer Kraftspektroskopie wurde die homophile Bindungskinetik von Desmoglein2-Proteinfragmenten betrachtet und darüber hinaus wurde die freie Enthalpie der Bindung abgeschätzt. Dabei zeigte der Wildtyp eine Bindungscharakteristik, die von homologen Cadherinen bekannt ist.
Neben des Erkenntnisgewinns des nativen Charakters von Desmin und Desmoglein2 wurden diese Methoden herangezogen, um Kardiomyopathie assoziierte Varianten dem jeweiligen Wildtyp gegenüberzustellen und funktionale Unterschiede aufzudecken. Die Ergebnisse können dabei helfen die Auswirkung der Genvariation auf molekularer Ebene zu verstehen und sind ein wichtiges Puzzlestück für die Klassifizierung der Varianten.
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Dieding M. Funktionale Charakterisierung herzmuskelspezifischer Proteinvarianten. Bielefeld: Universität Bielefeld; 2016.
Dieding, M. (2016). Funktionale Charakterisierung herzmuskelspezifischer Proteinvarianten. Bielefeld: Universität Bielefeld.
Dieding, M. (2016). Funktionale Charakterisierung herzmuskelspezifischer Proteinvarianten. Bielefeld: Universität Bielefeld.
Dieding, M., 2016. Funktionale Charakterisierung herzmuskelspezifischer Proteinvarianten, Bielefeld: Universität Bielefeld.
M. Dieding, Funktionale Charakterisierung herzmuskelspezifischer Proteinvarianten, Bielefeld: Universität Bielefeld, 2016.
Dieding, M.: Funktionale Charakterisierung herzmuskelspezifischer Proteinvarianten. Universität Bielefeld, Bielefeld (2016).
Dieding, Mareike. Funktionale Charakterisierung herzmuskelspezifischer Proteinvarianten. Bielefeld: Universität Bielefeld, 2016.
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