Lipoprotein Interaktion mit Biomembranen

Cholesterin ist ein essenzieller Bestandteil von Säugetierzellen und dessen Verteilung im Organismus wird durch sogenannte Lipoprotein Partikel gewährleistet. Überschüssiges Cholesterin der Zellen wird auf Lipoproteine mit hoher Dichte (engl. HDLs) übertragen und dann von der Leber mit der Gallenflüssigkeitentsorgt. Ein Ungleichgewicht im Cholesterinlevel verursacht durch Nahrungsaufnahme oder genetische Faktoren führt zu dessen Anreicherung an der Arterienwand; dies führt zur Zellmembranversteifung und beeinflusst die vaskuläre Integrität, die Signaltransduktion sowie Aufnahme- und Transportprozesse und schließlich zu Arteriosklerose, eine der häufigsten Todesursachen in den Industrieländern. Die Herausforderung ist immer noch die Funktion von Lipoproteinen molekular zu verstehen, um physiologischeProzesse beschreiben und damitStörungenwie Hypercholesterinämie, Herzerkrankungen, Schlaganfall und neurodegenerative Erkrankungen behandeln zu können. Darüber hinaus bietet die Herstellung und/oder gezielte Manipulation von Lipoproteinen neue Möglichkeiten für den Transport therapeutischer Wirkstoffe, da diese umgestaltet werden können. Unsere Hypothese ist, dass einerseits die physikalischen Eigenschaften der zellularen Membran und andererseits der spezifische Aufbau der Lipoproteine den Transfer von Cholesterin stark beeinflussen und dadurch die Beseitigung überschüssiger Lipide aus dem Blutkreislauf beeinträchtigt werden kann. Neue Kenntnisse über den Aufnahmemechanismus werden verdeutlichen wie Frachtmoleküle wie beispielsweise Cholesterin von der äußeren Hülle von Lipoproteinen zu Zellen übertragen werden. Im vorliegenden Projekt wird deshalb das Verhältnis der Rezeptor-vermittelten und direkten Lipoproteininteraktion sowie der anschließende Transferprozess mit Modellmembranen und schließlich lebenden Zellen analysiert und quantifiziert. Mit Hilfe eines breiten Spektrums komplementärer und hochentwickelterMesstechnikenwie der kombinierten Einzelmolekülfluoreszenzund Rasterkraftmikroskopie,Hochgeschwindigkeitsrasterkraftmikroskopieund Fluoreszenz- Kreuzkorrelationsspektroskopie wird es möglich sein einen detaillierteren Einblick in die zugrundeliegenden biomolekularen Mechanismen zu erhalten.

Cholesterin stellt ein essenzielles Biomolekül für die Funktionalität von Zellen dar. Es gewährleistet die Flexibilität der Zellmembranen und fungiert als Ausgangsstoff für eine Vielzahl anderer Biomoleküle, darunter auch Hormone. Der Transport dieses aufgrund seiner Wasserunlöslichkeit in der Regel nicht durch die Blutbahn transportierbaren Stoffes zu den Zellen erfolgt durch sogenannte Lipoproteinpartikel, welche die Fähigkeit besitzen, unterschiedliche Mengen an Fetten und nicht wasserlöslichen Molekülen, einschließlich einiger Vitamine, zu befördern. Die Art und Weise, wie diese Lipoproteinpartikel den Austausch von Cholesterin mit den Zellen ermöglichen, ist von größter Bedeutung für die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts des Cholesterinspiegels. Ein Ungleichgewicht kann zu gravierenden gesundheitlichen Komplikationen führen, darunter Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Diabetes und Krebs. Ziel unserer Studie war es, Einblicke in die Mechanismen zu gewinnen, die diesem Transfer zugrunde liegen, wobei zwei Schlüsselfaktoren im Vordergrund standen: (1) spezifische Proteine, die sich auf Lipoproteinpartikeln befinden, und (2) die Umgebung der Zellmembran, die deren Eigenschaften beeinflusst. Um dies zu untersuchen, setzten wir fortschrittliche Techniken ein, darunter modernste Mikroskope und hochempfindliche Waagen, um den Cholesterintransfer in Echtzeit zu beobachten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Cholesterin direkt zwischen Lipoproteinpartikeln und Zellmembranen übertragen werden kann, selbst in Abwesenheit spezifischer Rezeptoren, die bisher als wesentlich für diesen Prozess galten. Dieser Transfermechanismus wurde durch den Einsatz fluoreszierender Marker bestätigt, die es uns ermöglichten, die Bewegung von Cholesterin von den Lipoproteinpartikeln zu den Zellmembranen zu verfolgen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass alle Lipoproteinpartikel in der Lage sind, sich mit Lipidmembranen zu integrieren, was den schnellen, rezeptorunabhängigen Transfer ihrer Lipidfracht durch einen Fusionsmechanismus ermöglicht. Es wurde früher angenommen, dass Rezeptoren der einzige Weg seien, wie Lipoproteine Cholesterin liefern können. Außerdem wird die Transferfähigkeit durch die Lipidzusammensetzung der Zielmembran sowie durch die spezifischen Lipoproteinvarianten beeinflusst. Diese Erkenntnisse könnten wichtige Auswirkungen auf die Entwicklung neuer Therapien für Dyslipidämie und Erkrankungen wie familiäre Hypercholesterinämie haben. Darüber hinaus gelang es uns, Insulin erfolgreich auf Lipoproteinpartikel zu laden, was die gezielte Abgabe therapeutischer Wirkstoffe verbessert und gleichzeitig die strukturelle Integrität und die physiologische Funktion der Partikel erhält. Diese Forschung wurde von B. Plochberger in Zusammenarbeit mit den Experten H. Stangl und E. Sezgin geleitet.