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Alzheimer: Beta-Amyloid Struktur enthüllt

Beta-Amyloid-Plaques
Im Gehirn von Alzheimer-Patienten finden sich typischerweise Ablagerungen sogenannter Beta-Amyloid-Proteine. (Bild: selvanegra/ istock)

Ablagerungen sogenannter Beta-Amyloid-Proteine sind ein charakteristisches Merkmal der Alzheimer-Erkrankung. Doch über ihre Feinstruktur war bisher kaum etwas bekannt. Analysen von Proteinfibrillen aus Patientengehirnen offenbaren nun Überraschendes. Demnach unterscheidet sich die Gestalt dieser Fibrillen deutlich von der der für Laborversuche erzeugten Pendants. Und: Nur wenige Strukturtypen scheinen tatsächlich mit der Alzheimer-Pathologie in Verbindung zu stehen. Dies zeigt nicht nur, wie wichtig die Forschung mit „echtem“ Patientenmaterial ist. Langfristig könnten sich daraus auch neue Ansätze für gezieltere Therapien ergeben, wie die Forscher berichten.

Alzheimer ist eine der häufigsten neurodegenerativen Erkrankungen weltweit. Als typisches Symptom der fortschreitenden Zerstörung von Gehirnzellen finden sich im Denkorgan von Patienten Ablagerungen verklumpter Proteine: Anstatt abgebaut zu werden, sammeln sich sogenannte Beta-Amyloid-Proteine immer weiter an. Die dabei entstehenden Plaques aus Proteinfibrillen gelten als mögliche Auslöser für Entzündungsprozesse, synaptische Fehlfunktionen und schlussendlich den Zelltod. Die Struktur und Funktionsweise der Proteinaggregate beschäftigt Mediziner aus diesem Grund schon länger. Bisher nutzten sie dabei jedoch häufig künstlich im Labor entstandene Beta-Amyloid-Ablagerungen. „Ob und welche dieser Strukturen mit den im kranken Gehirn gefundenen Peptiden übereinstimmen, ist allerdings weitestgehend unbekannt“, erklären Marius Kollmer von der Universität Ulm und seine Kollegen.

Ganz anders als gedacht

Um dies zu ändern, haben die Forscher nun Beta-Amyloid-Fibrillen aus dem Hirngewebe dreier verstorbener Alzheimer-Patienten isoliert und mithilfe der Kryoelektronenmikroskopie (Kryo-EM) analysiert. Dabei zeigte sich: In allen drei Denkorganen fanden sich drei morphologisch unterschiedliche Proteinfasern. Diese Varianten wiesen jedoch charakteristische strukturelle Gemeinsamkeiten auf, wie das Team berichtet. Detaillierte Untersuchungen eines der drei Morphologie-Typen offenbarten unter anderem, dass diese Beta-Amyloid-Fibrillen rechtshändig verdreht waren. „Diese Eigenschaft ist ein deutlicher Unterschied zu der linkshändigen Verdrehung von im Reagenzglas entstandenen Beta-Amyloid-Fibrillen“, betonen die Wissenschaftler. Auch die Proteinfaltung der Fibrillen war den Ergebnissen zufolge ganz anders als bei zuvor analysierten Beta-Amyloid-Fibrillen aus dem Labor.

Nach Ansicht von Kollmer und seinen Kollegen zeichnet sich damit ab: Um die der Alzheimer-Erkrankung zugrundeliegenden Mechanismen und die Rolle der Plaques bei dieser Demenz zu entschlüsseln, ist es unabdingbar, mit Amyloid-Fibrillen von Patienten zu arbeiten. „Ähnliche Schlussfolgerungen wurden zuletzt auch für andere Fibrillenproteine gezogen, die in vitro ebenfalls Strukturen erzeugen, die sich von denen im menschlichen Patienten unterscheiden“, schreiben die Forscher. Wahrscheinlich, so ihre Vermutung, stimmen die bisher im Labor simulierten Bedingungen nicht exakt mit denen im Körper überein. Als Folge kommt es dann zur Bildung anderer Fibrillenstrukturen. Doch was bedeutet diese Erkenntnis nun konkret?

Ansatz für gezieltere Therapien?

Zum einen deuten die Beobachtungen den Wissenschaftlern zufolge darauf hin, dass nur Fibrillen mit bestimmten Eigenschaften das Potenzial zum Krankmacher haben. Denn während aus Laborexperimenten eine Vielzahl unterschiedlicher Strukturen von Beta-Amyloid-Fibrillen bekannt sind, ist die Alzheimer-Pathologie offenbar nur mit bestimmten dieser Fibrillentypen assoziiert. „Unsere Studie legt nahe, dass die Pathologie mit einigen wenigen und strukturell verwandten Morphologien in Zusammenhang steht“, erklärt das Team. „Diese Strukturen finden sich übereinstimmend in Fibrillen-Extrakten von Patienten mit ähnlichen Beschwerden.“ Womöglich ergeben sich daraus neue Ansätze für die Behandlung: Wirkstoffe, die gezielt nur mit Proteinfibrillen mit bestimmten Strukturen interagieren oder deren Bildung verhindern, könnten ein vielversprechender Weg hin zu besseren Therapien sein. Zunächst sind jedoch weitere Strukturanalysen für einen noch genaueren Blick auf die Beta-Amyloid-Fibrillen nötig, wie die Forscher betonen.

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Quelle: Marius Kollmer (Universität Ulm) et al., Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-019-12683-8

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