Gruppenleiter


Manuel E. Than
Manuel E. Than

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Sven Dahms

Sandra Höfgen

Doktoranden

Ina Coburger

Master-Studenten und Diplomanden

Julia Klingner

Hochmotivierte Studenten der Biologie, Biochemie, Biophysik, Chemie oder verwandter Gebiete sind aufgerufen, sich um eine Master- oder Diplomarbeit zu bewerben.
Bitte nehmen Sie Kontakt auf mit
than at fli-leibniz.de.

Technische Assistenten

Yvonne Schaub

Studenten und Gäste

Kathrin Oertwig

Anne Thems



 

Forschungsgruppe Than

Proteinkristallographie

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

Die Kenntnis hochaufgelöster dreidimensionaler Proteinstrukturen ist der Schlüssel zum Verständnis ihrer biologischen Funktion sowie ihrer Wechselwirkungen auf atomarem Niveau. Des Weiteren liefern solche Strukturdaten die Grundlage für die zielgerichtete Entwicklung von organischen Verbindungen, welche die Proteinaktivitäten beeinflussen können und somit für die Entwicklung neuer Medikamente und spezifischer Inhibitoren hochinteressant sind. Mittels der Röntgen-Proteinkristallographie sowie unter Verwendung biochemischer und biophysikalischer Verfahren untersuchen wir lösliche und membran-integrale Proteine, die eine Schlüsselfunktion bei der Ausbildung der Alzheimerschen Krankheit sowie bei der proteolytischen Aktivierung von Proproteinen im sekretorischen Apparat der Zellen innehaben, sowie deren funktionelle Komplexe. In Zukunft werden wir unsere Arbeit auch auf weitere neurodegenerative Erkrankungen und Alterungsprozesse ausdehnen.

 

Projekte

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.

 

3D structure of our pro-furin model

» Architektur des Membran- gebundenen APP- Proteins. Für weitere Informationen siehe Coburger et al (2013) PLoS One, 8, e81926.

Die Ektodomäne des Typ-1 Transmembranproteins APP besteht, wie für ein typisches Multidomänenprotein zu erwarten ist, aus gefalteten und flexiblen Bereichen. Unsere biochemischen und biophysikalischen Analysen seiner genauen Architektur zeigen die Existenz und die genauen Grenzen der zwei Domänen E1 und E2, die jeweils eine definierte Sekundärstruktur aufweisen. Sie sind untereinander und mit der Transmebranhelix des APP durch flexible Bereiche verknüpft. E1 und E2 verbindet ein Sequenzbereich, der vorwiegend sauer geladene Aminosären aufweist und entsprechend Acide Domäne (AcD) genannt wird. Zwischen der AcD und E1 liegt im Wirbeltier-APP eine zusätzliche konservierte Domäne von teilweiser Flexibilität, die "extension domain" (ED). Die flexible "juxtamembrane region" (JMR) verbindet E2 mit der Tranmembranhelix des APP und enthält die Schnittstellen der α- und β-Sekretasen. Die γ-Sekretase schneidet innerhalb der Transmembranhelix. APP bildet ein gestrecktes Molekül, welches flexibel mit der Membran verbunden ist und keine ausgeprägte Wechselwirkung seiner konstituierenden Domänen und Segmente aufweist. Im nächsth÷heren Organisationslevel ist APP wahrscheinlich in verschiedene Oligomerisierungskontakte und weitere Protein-Protein-Wechselwirkungen involviert, welche auf der hier gezeigten dreidimensionalen Struktur des isolierten, monomeren APP aufbauen.

 

3D structure of our pro-furin model

» Kristallstruktur der gesamten E1-Domäne von APP. Für weitere Informationen siehe Dahms et al (2010) Proc Natl Acad Sci, 107, 5381-5386.

Unsere Kristallstruktur der gesamten E1-Domäne des APP zeigt, daß die beiden sie bildenden Untereinheiten, die sogenannte "growth factor like domain" (GFLD) und die "copper binding domain" (CuBD), eine strukturelle und somit funktionelle Einheit bilden. Bei leicht saurem (vesikulärem) pH bilden die beiden Untereinheiten eine fest verbundene Einheit. Interessanterweise zeigt diese Wechselwirkung bei neutralem bis leicht basischem (extrazellulärem) pH eine gewisse Plastizität, was eine Abhängigkeit dieser Wechselwirkung von der zellulären Lokalisation des APP nahelegt. Wir sehen sowohl in biochemischen Studien als auch im Kristall, daß zwei E1-Einheiten ein Dimer ausbilden. Diese E1-basierte Dimerisierung des APP wird durch Heparin induziert und stabilisiert, welches wahrscheinlich die physiologisch weiter verbreiteten Heparansulfat-Proteoglycane (HSPGs) nachbildet. (Pressemitteilung des FLI)

 

3D structure of our pro-furin model

» Kristallstruktur der metall-gebundenen E2-Domäne von APP. Für weitere Informationen siehe Dahms et al (2012) J Mol Biol 416, 438-52

Unsere biochemische und röntgenkristallographische Analyse der E2-Domäne des APP identifizierte einen metall-abhängigen "molekularen Schalter" in diesem Teil des APP. Vier evolutionär hochkonservierte Histidinreste binden spezifisch und mit hoher Affinität unter physiologischen Konzentrationen an Kupfer und Zink. Metall-spezifische Koordinationssphären induzieren große konformationelle Änderungen. Sie führen zu unterschiedlichen strukturellen Zuständen, welche wahrscheinlich sowohl die physiologische Funktion des APP als auch dessen proteolytische Spaltung bei der Entstehung von AD beeinflussen. (Pressemitteilung des FLI)

 

3D structure of our pro-furin model

» Kristallstruktur der Ligandenbindungs- domäne des "death receptor six" (DR6). Für weitere Informationen siehe Kuester et al (2011) J Mol Biol, 409, 189-201.

Vor kurzem konnten wir die Kristallstruktur der extrazellulären Domäne des "death receptor six" (DR6) aufklären. Diese Arbeit ist Teil unserer Untersuchungen von Interaktionspartnern des APP und deren Einfluß auf die Entstehung von AD. DR6 gehört zur Superfamilie der Tumornekrosefaktor-Rezeptoren (TNFR), deren Familienmitglieder von zentraler Bedeutung für die Signaltransduktionsprozesse bei der Apoptose, der zellulären Stressantwort sowie dem Überleben von Zellen sind. Es wurde gezeigt, daß DR6 als Rezeptor für lösliche N-terminale APP-Spezies dient und dabei zur Rückbildung von Axonen sowie zum Absterben von Neuronen führen kann. Die Cystein-reiche Domäne des DR6, der Ligandenbindungsbereich der TNFR-Familienmitglider, zeigt eine typische Faltung dieser Domäne und bildet eine DR6-spezifische Oberfläche aus, welche die selektive Erkennung von Liganden ermöglicht. Der Vergleich des APP zu bekannten, typischen Liganden der TNFR-Familie zeigt jedoch eine atypische Symmetrie und Struktur für dieses Molekül und legt die Vermutung nahe, daß APP anders mit DR6 wechselwirkt als typische TNFR-Liganden.

 

3D structure of our pro-furin model

» 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 unserer 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.

 

structure of HMT

» Struktur des HMT zur Verwendung in Cluster-MR. Für weitere Informationen siehe Dahms et al (2013) Acta Cryst D, 69, 284-297.

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. Kürzlich konnten wir diese Methode erfolgreich zur Untersuchung spezifischer Metallbindestellen am APP einsetzen. Im Rahmen der Strukturbestimmung des DR6 entwickelten wir einen neuartigen Ansatz zur experimentellen Phasenbestimmung in der Proteinkristallographie unter Verwendung von Schweratom-Clusterverbindungen und Molekularem Ersatz sowie von isomorphen oder anomalen Differenzen. 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, Hardes K, Becker GL, Steinmetzer T, Brandstetter H, Than ME (2014) X-ray structures of human furin in complex with competitive inhibitors. ACS Chem Biol, 2014 Mar 25. [Epub ahead of print] [PubMed]
  • Coburger I, Hoefgen S, Than ME (2014) The structural biology of the amyloid precursor protein APP - a complex puzzle reveals its multi-domain architecture. Biol Chem, 2014 Feb 7. [Epub ahead of print] [PubMed]
  • Coburger I, Dahms SO, Roeser D, Gührs KH, Hortschansky P, Than ME (2013) Analysis of the overall structure of the multi-domain amyloid precursor protein (APP). PLoS One, 8, e81926 [PubMed]
  • Dahms SO, Kuester M, Streb C, Roth C, Sträter N, Than ME (2013) Localization and orientation of heavy atom cluster compounds in protein crystals using molecular replacement. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr, 69, 284-297. [PubMed]
  • Dahms SO, Könnig I, Roeser D, Gührs KH, Mayer MC, Kaden D, Multhaup G, Than ME (2012) Metal binding dictates conformation and function of the Amyloid Precursor Protein (APP) E2 domain. J Mol Biol, 416, 438-452. [PubMed]
  • Kuester M, Kemmerzehl S, Dahms SO, Roeser D, Than ME (2011) The Crystal Structure of Death Receptor 6 (DR6): A potential receptor of the amyloid precursor protein (APP). J Mol Biol, 409, 189-201. [PubMed]
  • 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 U S A, 107, 5381-5386. [PubMed]
  • Becker GL, Sielaff F, Than ME, Lindberg I, Routhier S, Day R, Lu Y, Garten W, Steinmetzer T (2010) Potent inhibitors of furin and furin-like proprotein convertases containing decarboxylated P1 arginine mimetics. J Med Chem, 53, 1067-1075. [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]

 


Last update: February 4, 2014

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