Structural and dynamical investigations of biomimetic myelin membranes

Krugmann, Benjamin; Förster, Stephan Friedrich (Thesis advisor); Richtering, Walter (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

In dieser Arbeit wurden biomimetische Membranen mit der Lipidzusammensetzung nativer und durch Multiple Sklerose erkrankter zytoplasmatischer Myelinmembranen untersucht. Um Multiple Sklerose zu simulieren wurde auf das Tiermodell Experimentelle Autoimmune Enzephalomyelitis (EAE) zurückgegriffen. Besonderen Fokus wurde auf die Interaktion mit dem Basischen Myelinprotein (MBP) gelegt. Dieses ist ein essenzielles Protein, das notwendig ist, um kompaktes Myelin zu bilden. In Kapitel 3 haben wir verschiedene strukturelle Methoden genutzt, um die beiden Membransysteme zu untersuchen. Hierbei haben wir sowohl mit großen unilamellaren Vesikeln (Neutronen- und Röntgenkleinwinkelstreuung) als auch mit gestützten Membran-Doppelschichten (Neutronenreflektometrie) gearbeitet. Wir konnten zeigen, dass die reinen Membranen mit der Genauigkeit der Instrumente nicht unterschieden werden konnten. Wenn jedoch MBP zu den Proben hinzugefügt wird, ändert sich das Bild. Bei den Vesikeln wird durch Hinzufügen von MBP eine spontane Aggregation für beide Membrantypen beobachtet. Auf diese folgt jedoch im Verlauf einiger Tage ein Alterungsprozess. Dieser wurde mit Röntgenkleinwinkelstreuung und cryo Transmissions-Elektronenmikroskopie verfolgt. Während sich die EAE-Membranen in einem konstanten Zustand befinden und kaum ändern, wird für die native Membran ein Wandel beobachtet, indem sich gigantische Vesikel mit mehr als10-fach größerem Durchmesser im Mikrometerbereich bilden und auch teilweise multilamellare Strukturen entstehen. Diese Strukturen ähneln sehr viel stärker denen der natürlichen Myelinmembranen, die in Multilagen mit einem Durchmesser von einigen Mikrometer zylindrisch um Axonen vorliegen. Das zeigt, dass ein Zustand nahe dem natürlichen von diesem Lipidmix bevorzugt angenommen wird. Dieses Phänomen konnten wir in den Zusammenhang mit der intrinsischen Eigenschaft der Biegesteifigkeit der Membranen bringen. Wir haben diese für beide Membransysteme mit Neutronen-Spin-Echo gemessen und einen höheren Wert für die nativen Membranen erhalten. Damit tendieren diese Membranen stärker dazu, ihre Krümmung zu verringern und daher Vesikel mit größerem Durchmesser zu bilden. Zudem konnten damit scharfe Kanten zwischen den Vesikeln, die nur in den EAE Membranen beobachtet wurden, erklärt werden. Dies liegt daran, dass bei einer geringeren Biegesteifigkeit eine lokal stärkere Krümmung entstehen kann. In Kapitel 4 haben wir uns genauer auf den Bildungsprozess der Multilagen konzentriert. Hierzu haben wir gestützte Doppelschichten mit MBP beschichtet und auf diese Vesikel gegeben. Den Interaktionsprozess haben wir mit kinetischer Neutronenreflektometrie verfolgt. Auch dies haben wir für native und EAE- Lipidzusammensetzungen untersucht. Wir konnten in beiden Fällen eine einige Stunden andauernde Kinetik messen. Diese konnte mit dem Modell der "Zufällig Sequentiellen Adsorption" beschrieben werden. Es zeigte sich, dass diese Vesikel an die Membranadsorbieren und sich dabei verformen, um eine möglichst große Kontaktfläche mit der beschichteten Membran zu erhalten, jedoch nicht komplett fusionieren. Mithilfe der Werte der Biegesteifheit dieser Membranen konnte aus diesen Messungen die Adhäsionsenergie pro MBP-Molekül für beide Membranen abgeschätzt werden. Diese war für die native Membran deutlich höher als für die EAE-modifizierte Membran. Diese Ergebnisse helfen dabei, biophysikalische Parameter, die für die Eigenschaftender nativen und EAE modifizierten Membranen zuständig sind, zu identifizieren. Damit können sie dazu beitragen die molekularen Wechselwirkungen zu verstehen, die bei der Krankheit Multiple Sklerose zur Veränderung und letztendlich Zerstörung von kompaktem Mylein führen. Jedoch ist es notwendig, in weiteren Studien noch andere Modellsysteme zu untersuchen, die andere Bestandteile des Myelinmembransystems, wie die extrazelluläre Membranschicht oder weitere Proteine, berücksichtigen, um ein vollständigeres Bild der molekularen Wechselwirkungen zu erhalten.

Identifikationsnummern

Downloads