Das Amyloid-Vorläuferprotein (APP) und die APP-ähnlichen Proteine 1 und 2 (APLP1 und APLP2) bilden eine evolutionär hoch konservierte Familie von Transmembranproteinen bei Säugetieren. Es wird angenommen, dass APP der entscheidende molekulare Faktor bei der Ausbildung der Alzheimer-Krankheit ist, da es das neurotoxische Abeta-Peptid enthält, das bei Alzheimer-Patienten zu Plaques aggregiert. APP, APLP1 und APLP2 bilden in lebenden Zellen native Homo- und Heterodimere und enthalten Bindungsstellen für diverse extrazelluläre Liganden. Die Auswirkungen der Ligandenbindung sind bislang jedoch nicht verstanden. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von Metallionen auf die Struktur und Funktionen von APP und APLPs in der Zelle untersucht. Es konnte in Messungen an lebenden Zellen gezeigt werden, dass APP, APLP1 und APLP2 in Gegenwart von Zink innerhalb von Sekunden oligomere Komplexe aus Homo- und Heterooligomeren ausbilden. Dabei wurde bereits bei niedrigen mikromolaren Zinkkonzentrationen die Bildung von APP- und APLP1-Oligomeren induziert, wohingegen deutlich höhere Zinkkonzentrationen für die Oligomerisierung von APLP2 benötigt wurden. Die Zink-abhängige Oligomerisierung von APLP1 wird über eine neue Zinkbindungsstelle im C-terminalen Bereich der E2-Domäne vermittelt, wobei bei hohen Zinkkonzentrationen weitere intermolekulare Kontakte auftreten können. Der Mechanismus der Zink-abhängigen Oligomerisierung von APP und APLP1 wurde mit rekombinanten E2-Domänen charakterisiert. Zinkionen banden direkt an die E2-Domänen von APP, APLP1 und APLP2 und bewirkten strukturelle Änderungen in der Domäne. Durch die Zinkionen erfolgte eine Dimerisierung der E2-Domänen von APP und APLP1, aber nicht von APLP2. Die zusätzliche Dimerisierungsstelle induzierte eine Oligomerisierung der dimeren Volllängenproteine. Die physiologische Relevanz der Zink-abhängigen Oligomerisierung wurde durch ihren Einfluss auf die Lokalisation von APLP1 in der Plasmamembran gezeigt. Zinkionen vermittelten die Anreicherung von APLP1 in Zellkontaktbereichen bei Zinkkonzentrationen, die bei neuronaler Aktivität in der Synapse entstehen. APLP1 wird exklusiv im zentralen Nervensystem exprimiert und liegt vorwiegend in der Plasmamembran vor. Dies legt eine Funktion von APLP1 als ein durch Zink reguliertes synaptisches Adhäsionsprotein nahe.
The amyloid precursor protein (APP) and the APP-like proteins 1 and 2 (APLP1 and APLP2) are the mammalian representatives of an evolutionarily conserved family of transmembrane proteins. APP is hypothesized to be the decisive molecular factor in the etiology of Alzheimer Disease by harboring the neurotoxic Abeta peptide, which aggregates to plaques in Alzheimer Disease patients. In living cells, APP, APLP1 and APLP2 form native homo- and heterodimers and they contain binding sites for several extracellular ligands. However, the consequences of ligand binding are not understood. Here, the influence of metal ions on structure and function of APP and APLPs in the cell was studied. It was shown by live-cell analyses that in presence of zinc APP, APLP1 and APLP2 form homo- and heterooligomeric complexes within seconds. Whereas low micromolar zinc concentrations induced formation of APP and APLP1 oligomers, far higher concentrations were required to mediate APLP2 oligomerization. Zinc-induced oligomerization is mediated by a novel zinc binding site in the C-terminal region of the E2 domain. At higher zinc concentrations formation of additional intermolecular contacts was observed. The mechanism of zinc-mediated oligomerization was characterized with recombinant E2 domains of APP, APLP1 and APLP2. Zinc ions bound directly to the E2 domains of APP, APLP1 and APLP2 and induced structural rearrangements of the domain. A dimerization of APP and APLP1 E2 domains was induced by zinc ions, but no dimerization of the APLP2 E2 domain was observed. The additional dimerization site led to oligomerization of the dimeric full length proteins. The physiological relevance of zinc-mediated oligomerization was shown by its influence on the localization of APLP1 in the plasma membrane. Zinc ions mediated enrichment of APLP1 in cell contacts at concentrations occuring at the synapse during neuronal activity. APLP1 is exclusively expressed in the central nervous system and mainly localized to the plasma membrane. This suggests a function for APLP1 as a zinc-regulated synaptic adhesion protein.
