Proteindynamik und Proteolytische Zugänglichkeit

Proteine spielen eine zentrale Rolle in allen grundlegenden Abläufen des Lebens. Ihre Lebensdauer geht mit ihrer Funktion einher. Während Proteine, die in der Signalweiterleitung zum Einsatz kommen, von einem sehr kurzen Lebenszyklus gekennzeichnet sind, zeichnen sich strukturgebende Proteine durch ihre Langlebigkeit aus. Proteasen sind Enzyme die Proteine verdauen. Die Zugänglichkeit für Proteasen entscheidet über die Lebensdauer eines Proteins. Die für die Verdauung notwendigen spezifischen Wechselwirkungen zwischen Protein und Protease sind nur möglich, wenn die Schnittstelle im Protein eine bestimmte, teilweise entfaltete, Raumstruktur aufweist. Ein gefaltetes Protein muss also eine Tendenz zu umfangreicher struktureller Entfaltung aufweisen, um abgebaut werden zu können. Das vorliegende Projekt zielt darauf ab, mögliche Zusammenhänge zwischen der proteolytischen Zugänglichkeit, Tendenz zur Entfaltung und der inherenten strukturellen Dynamik von Proteinen zu untersuchen. Computersimulationen stellen eine effiziente und zuverlässige Methode dar, um diese Dynamik von Proteinen zu charakterisieren. Das Birkenpollenallergen Bet v 1 ist ein optimales Modellsystem für unsere Untersuchungen. Einerseits sind 40% aller Allergie-Patienten in der westlichen Hemisphäre von einer Birkenpollenallergie betroffen, andererseits ist bereits eine umfangreiche Sammlung an qualitativ hochwertigen experimentellen Ergebnissen in der Literatur verfügbar. Darüber hinaus arbeiten wir mit diversen Experten auf dem Gebiet der Pollenallergie zusammen, welche uns Zugang zu unveröffentlichten experimentellen Daten ermöglichen, um unsere Modelle zu entwickeln und zu überprüfen. Obwohl sich verschiedene Isoformen von Bet v 1 weder in ihrer Sequenz noch in ihrer Struktur maßgeblich unterscheiden, so variieren sie sehr stark in ihrer Allergenizität. Fachliteratur und unsere bisherigen Ergebnisse deuten auf einen bemerkenswerten Zusammenhang zwischen struktureller Dynamik, proteolytischer Zugänglichkeit und Allergenizität von Bet v 1 hin. Die Vision der Forschung ist es, über die Dynamik von Bet v 1 ein umfangreiches Verständnis für dessen Allergenizität zu entwickeln. Dieses Verständnis könnte maßgeblich zur Entwicklung von sichereren und effizienteren Behandlungsmöglichkeiten beitragen.

Der Abbau von Proteinen durch Proteasen ist für unzählige biologische Prozesse von entscheidender Bedeutung. In Abhängigkeit von seiner Funktion muss ein Protein entweder resistent gegen die Zersetzung von Proteasen sein, oder aber leicht abbaubar sein. Bislang gab es einige Erklärungsansätze, die den Ursprung von den stark variierenden Zersetzungsraten zu erklären versuchen, welche beispielsweise Sequenz, Größe, Ladung oder Flexibilität der Proteine in Betracht ziehen. In diesem Projekt haben wir uns auf den proteolytischen Abbau des Birkenpollen Allergens Bet v 1 und auf mögliche Auswirkungen auf dessen Allergenität konzentriert. Bet v 1 ist ein ideales Testsystem, da seine Stabilität, Allergenität, Struktur und Dynamik in den letzten Jahrzehnten gründlich untersucht wurden, wodurch beträchtliche Mengen an qualitativ hochwertigen Daten zur Verfügung stehen. Die molekularen Determinanten, welche die Allergenität eines Proteins ausmachen, sind unklar. Es ist bislang nicht geklärt, warum einige Proteine bei genetisch prädisponierten Personen eine starke allergische Reaktion hervorrufen, während Proteine mit nahezu identischer Faltung gut vertragen werden. Ein Schlüsselschritt bei der Allergen-Umsetzung ist die Zersetzung durch endosomale Proteasen. Entscheidend für die Allergenität eines Proteins ist somit die Anfälligkeit für den proteolytischen Abbau. In Bet v 1 befinden sich die meisten Protease-Spaltungsstellen innerhalb von Sekundärstrukturelementen. Die Proteasen erkennen jedoch ausschließlich Substrate in geöffneten Beta-Faltblatt-Konformationen. Daher muss das Protein zunächst Konformationsänderungen durchlaufen, um in teilweise entfaltete Zustände überzugehen, um für Proteolyse anfällig zu werden. Unser Ziel war es, die molekularen Determinanten zu charakterisieren, welche die proteolytische Anfälligkeit regulieren, wobei wir uns dabei auf die Dynamik der Allergene konzentriert haben. Wir haben Molekulardynamik (MD) Simulationen mit klassischen, sowie mit erweiterten Sampling-Techniken durchgeführt, um die Proteindynamik auf der Mikro- bis zur Millisekunden-Zeitskala abzudecken. Zusätzlich wurden Auswirkungen von Temperatur- und pH-Veränderungen auf das Erfasste Konformations-Ensemble untersucht.