Forschungsgruppe Than

Proteinkristallographie

Struktur-Funktionsbeziehungen von Schlüsselproteinen bei neurodegenerativen Erkrankungen, in Alterungsprozessen und bei der proteolytischen (Pro-)Protein Prozessierung

Projekte

» Kristallstruktur der vollst. E1-Domäne von APP. Für weitere Informationen siehe Dahms et al (2010) Proc. Natl. Acad. Sci. Epub. 8.3.2010.



Die Alzheimersche Krankheit (Alzheimer's disease, AD) ist weltweit die häufigste Form der Demenz, insbesondere in der älteren Bevölkerung. Sie zeichnet sich durch die Ablagerung von senilen Plaques im Gehirn aus, die vorwiegend aus den amyloiden β-Peptiden (Aβ) bestehen. Aβ entsteht durch proteolytische Spaltung des β-Amyloid-Vorläufer-Proteins (engl. β-amyloid precursor protein, APP). Ein entscheidender Schritt hierbei ist die Spaltung einer Zwischenstufe innerhalb der Membran durch den hochmolekularen Protease-Komplex γ-Sekretase, wobei letztendlich Aβ-freigesetzt wird. Über die pathophysiologischen Schritte, die letztendlich zur Entstehung von Aβ führen, ist in den letzten Jahren insbesondere auf zellbiologischem und biochemischen Gebiet weltweit ein erheblicher Fortschritt erzielt worden. Jedoch ist bis heute leider nur sehr wenig über die detaillierten atomaren Strukturen vieler beteiligter Moleküle, ihre Wechselwirkungen und ihre physiologischen Funktionen bekannt. Dies näher zu untersuchen ist der Ausgangspunkt für viele unserer Forschungsprojekte.

 



» Der Film zeigt die 3D-Struktur unseres Pro-Furin Modells, in dem das aktive Zentrum durch die fest gebundene Prodomäne (weiss) blockiert ist. Für weitere Informationen siehe Henrich et al (2005) J Mol Biol. 345, 211-227.
Viele Proteine und Peptide müssen in Eukaryoten während der Sekretion erst durch eine spezielle Klasse von Serinproteasen, die Proprotein/Prohormon Convertasen (PCs), proteolytisch gespalten werden, um aktiv zu werden. Zu diesen PC-Substraten zählen Peptid-Hormone (z.B. Insulin), extrazelluläre Proteasen, Wachstums- und Differenzierungsfaktoren (vielen wird eine zentrale Rolle bei neurodegenerativen Krankheiten, der Entstehung von Krebs sowie bei der Metastase zugewiesen) aber auch bakterielle Toxine und virale Hüllproteine. Entsprechend stellen die PCs ein hochinteressantes pharmakologisches Zielmolekül dar. Aufgrund unsere dreidimensionalen Struktur des Furins komplementiert durch weitere Studien anderer Arbeitsgruppen beginnen wir heute zu verstehen, wie insbesondere Furin aber auch generell diese Klasse von hochspezifischen Endoproteasen ihre Substrate erkennen und spalten. In der Zukunft möchten wir auch weitere Familienmitglieder, die teilweise eine deutlich abweichende Substratspezifität aufweisen, strukturell verstehen, aber auch die rationelle struktur-basierte Entwicklung von Inhibitoren vorantreiben.

 

Bei der primär auf das Strukturverständnis unserer Zielproteine ausgerichteten proteinkristallographischen Arbeit stoßen wir immer wieder auf die Notwendigkeit neue Methoden zu etablieren, zu adaptieren oder komplett neu zu entwickeln. Hierzu zählte in den letzten Jahren die Verwendung einer speziellen Element-spezifischen Elektronendichtekarte, berechnet unter Zuhilfenahme der Anomalen Differenzen aus Diffraktionsmessungen an der K-Absorptionskante von Calcium, die uns eindeutig die Anzahl sowie die räumliche Lage der im Furin gebundenen Ca²⁺-Ionen zeigte. Des Weiteren ist die Transformation von Proteinkristallen durch gezielte Feuchteänderungen oft von großer Hilfe, um die innere Ordnung von Kristallen zu erhöhen und somit die Strukturlösung zu ermöglichen.

Die Mitglieder der Arbeitsgruppe

Ausgewählte Publikationen

• Dahms SO, Hoefgen S, Roeser D, Schlott B, Gührs K-H, Than ME (2010) Structure and Biochemical Analysis of the Heparin-induced E1-Dimer of the Amyloid Precursor Protein (APP). Proc Natl Acad Sci. [epub ahead of print]
• Becker GL, Sielaff F, Than ME, Lindberg I, Routhier S, Day R, Lu Y, Garten W, Steinmetzer T (2009) Potent inhibitors of furin and furin-like proprotein convertases containing decarboxylated P1 arginine mimetics. J Med Chem. 53,1067-75 [PubMed]
• Henrich S, Lindberg I, Bode W, Than ME (2005) Proprotein convertase models based on the crystal structures of furin and kexin: explanation of their specificity. J Mol Biol. 345, 211-227. [PubMed]
• Than ME, Henrich S, Bourenkov GP, Bartunik HD, Huber R, Bode W (2005) The endoproteinase furin contains two essential Ca²⁺ ions stabilizing its N-terminus and the unique S1 specificity pocket. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr. 61, 505-512. [PubMed]
• Henrich S, Cameron A, Bourenkov GP, Kiefersauer R, Huber R, Lindberg I, Bode W, Than ME (2003) The crystal structure of the proprotein processing proteinase furin explains its stringent specificity. Nat Struct Biol. 10, 520-526. [PubMed]
• Than ME, Henrich S, Huber R, Ries A, Mann K, Kühn K, Timpl R, Bourenkov GP, Bartunik HD, Bode W (2002) The 1.9 Å crystal structure of the noncollagenous (NC1) domain of human placenta collagen IV shows stabilization via a novel type of covalent Met-Lys cross-link. Proc Natl Acad Sci USA. 99, 6607-6612. [PubMed]
• Soulimane T, Buse G, Bourenkov GP, Bartunik HD, Huber R, Than ME (2000) Structure and mechanism of the aberrant ba(3)-cytochrome c oxidase from thermus thermophilus. EMBO J. 19, 1766-1776. [PubMed]