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Abstract

Eines der bedeutendsten Kennzeichen des Morbus Alzheimer ist die Zusammenlagerung des Mikrotubuli-assoziierten Proteins Tau in Fibrillen, die als „gepaarte helikale Filamente“ (PHF) bezeichnet werden. Allerdings sind die strukturellen Grundlagen der PHF Aggregation auf atomarer Ebene weitestgehend unbekannt. In dieser Studie wurden mittels Festkörper-Kernspinresonanz-Spektroskopie (FK-NMR) in vitro hergestellte PHF einer Tau Isoform untersucht, die aus drei Wiederholungseinheiten besteht und den Kern der PHF repräsentiert (K19). Wir haben herausgefunden, dass der rigide Kern der Fibrillen von den Aminosäuren V306 bis S324 – lediglich 18 von 99 Residuen – gebildet wird und aus 3 β-Faltblatt-Strängen besteht, die durch zwei kurze Knickstellen miteinander verbunden sind. Der erste β-Strang wird von dem gut untersuchten Hexapeptid 306VQIVYK311 gebildet. Von diesem ist bekannt, dass es sich ebenfalls zusammenlagern kann und dabei so genannte hydrophobe „steric zipper“ Kontakte ausbildet. Ergebnisse an einer gemischt [15N:13C]-markierten K19 PHF Probe zeigen, dass sich die β-Stränge parallel und nicht zu einander verschoben übereinander lagern. Zwischen C322-Resten verschiedener Moleküle bilden sich Disulfid-Brücken (DSB) aus, die zu einer lokalen Beeinträchtigung der β-Faltblatt-Struktur führen, wodurch in den FK-NMR Spektren Polymorphismus beobachtbar ist. Insbesondere die Aminosäurereste K321-S324 weisen zwei Resonanz-Sätze auf. Des Weiteren bestätigen Experimente, die an K19 C322A PHF durchgeführt wurden, den Einfluss der DSB auf die Struktur des Fibrillenkerns. Die Strukturdaten werden durch H/D-Austausch NMR Messungen an K19 sowie K18, einer Isoform bestehend aus vier Wiederholungseinheiten, gestützt. Zielgerichtete Mutagenese-Studien an K19 zeigen, dass Mutationen innerhalb der drei verschiedenen β-Stränge zu einem signifikanten Verlust der PHF Aggregationseffizienz führen, was die Bedeutung der β-Strang-reichen Region für die Zusammenlagerung von Tau Proteinen unterstreicht.