Die Assoziation von b -Faltblattstrukturen unter Ausbildung pathogener, fibrillärer Proteinaggregate (Amyloide) steht im Zusammenhang mit einer Reihe degenerativer Erkrankungen wie z.B. Alzheimer und Prion-Erkrankungen.
Im ersten Teil der Arbeit wurden Untersuchungen zum Assoziationsverhalten von b -Faltblattstrukturen durchgeführt. Dazu wurden wasserlösliche Modellpeptide, die aus einer zentralen b -Faltblattstruktur-Domäne (Valin-Threonin-Sequenz) und löslichkeitsvermittelnden, unstrukturierten N- und C-terminalen Oktapeptidsequenzen bestehen, synthetisiert. Die Stabilität der intermolekularen b -Faltblattstrukturen konnte durch Variation der Länge der Valin-Threonin-Domäne und den Einbau von D-Aminosäuren beeinflußt werden. Es wurde gezeigt, daß das Assoziationsverhalten mit der Stabilität der b -Faltblattstrukturen korreliert. Modellpeptide mit einer (Valin- Threonin)n-Domäne, n ? 6 bilden stabile, wasserlösliche b -Faltblattstruktur- Komplexe mit Molekulargewichten von über 2000 kDa. Sie organisieren sich in hochgeordnete, fibrilläre Strukturen, die Ähnlichkeiten mit natürlich vorkommenden Amyloid-Fibrillen aufweisen.
Den zweiten Schwerpunkt der Arbeit bildeten Untersuchungen zur Konformation und Assoziation des Alzheimer-Peptides Ab(1-42). Der strukturelle Übergang des Peptides von einer löslichen, monomeren Form in eine assoziierende, b -faltblattstrukturierte Konformation wird als initialer Schritt für die Bildung pathogener Amyloid-Fibrillen angesehen. Zur Erkennung struktursensitiver Bereiche innerhalb der Ab (1-42)-Sequenz, die einen konformationellen Übergang des Peptides auslösen, wurden positionsspezifische Strukturstörungen über ein komplettes D-Aminosäure-Substitutionsset des Peptides vorgenommen. Es konnte gezeigt werden, daß der konformationelle Übergang in eine b -Faltblattstruktur über die Destabilsierung der Helix (11-24) des monomeren Moleküls ausgelöst werden kann. Der strukturelle a ® b -Übergang ist dabei direkt mit der Aggregation des Peptides in Amyloid- Fibrillen verbunden. Die vorliegenden Ergebnisse weisen damit zum ersten Mal am Gesamtmolekül nach, daß die konformationelle Stabilität der zentralen Region (11-24) direkt den Übergang des Alzheimer-Peptides in eine assoziierende b-Faltblattstruktur steuert.
Self-assembly of b -sheet domains resulting in the formation of pathogenic, fibrillar protein aggregates (amyloids) is a characteristic feature of various medical disorders, including Alzheimer`s disease and prion-related diseases.
The first part of the present work describes the association behaviour of b -sheet peptides. The water-soluble de novo peptides are composed of a central b -sheet-forming domain (valine-threonine-sequence), and N- and C-terminal non-structured octapeptide sequences which promote water solubility. It was shown, that the stability of the intermolecular b -sheet structures was influenced by variation of peptide length and D-amino acid substitutions. The association behaviour was found to correlate strongly with the stability of a b -sheet conformation. Model peptides with a (valine-threonine)n-domain, n ? 6 form stable, water-soluble b -sheet complexes with molecular masses of more than 2000 kDa, which are organized in fibrillar structures. The fibrils show similarities with naturally occurring amyloid fibrils.
The second part of the work occupies with the conformation and association of the Alzheimer?s disease peptide Ab (1-42). A critical event in Alzheimer?s disease is the transition of Ab peptides from their soluble, monomeric forms into disease-associated b -sheet-rich conformers. In order to assess the impact of conformational alterations on the initiation of amyloid formation the influence of position-specific D-amino acid substitutions on the secondary structure and association behaviour of Ab (1-42) was studied. Therefore a complete D-amino acid replacement set of Ab(1-42) was synthesized. It was shown that the conformational switch of monomeric Ab (1-42) into a b -structure is initiated by destabilization of the central a -helical domain comprising residues 11 to 24. This conformational a -to-b switch was directly accompanied by an aggregation process leading to the formation of amyloid fibrils. The present results have demonstrated for the first time, using the full-length 42-mer Alzheimer-peptide, that the conformational stability of the central region (residues 11-24) directly controls the molecular switch of the peptide into an associating b -sheet structure.