Nach mehr als 40 Jahren: Durchbruch in der Erforschung des alpha-A-Kristallins – einem Schutzprotein in der Augenlinse. Forschende der Technischen Universität München (TUM) haben erstmals die Struktur des Proteins ermittelt und dabei eine weitere wichtige Funktion entdeckt.
Die Befunde helfen, neue Präventions- und Therapie-Strategien gegen den Grauen Star zu finden.
Die Augenlinse des Menschen besteht aus einer hochkonzentrierten Proteinlösung, die ihr die hohe Brechkraft verleiht. Diese gibt an, wie stark ins Auge einfallende Lichtstrahlen gebrochen werden. Dieser Vorgang ist für scharfes Sehen unabdingbar. Denn nur wenn das Licht von Hornhaut und Augenlinse abgelenkt wird, treffen die Strahlen gebündelt im Bereich des schärfsten Sehens auf der Netzhaut zusammen.
Für die Funktion der Augenlinse enorm wichtig
Diese Proteine werden in der Embryonalentwicklung angelegt und müssen dann ein Leben lang funktionieren, weil die Augenlinse keinen Mechanismus zum Auf- und Abbau von Proteinen besitzt. Werden die Linsenproteine geschädigt, kommt es zu Alterssichtigkeit und Grauem Star – einer Eintrübung der Augenlinse.
Es sind Schutzproteine, die dafür sorgen, dass die Proteine im Lauf der Zeit nicht verklumpen. Die beiden Schutzproteine alpha-A-Kristallin und alpha-B-Kristallin machen rund 30 Prozent der Proteine im menschlichen Auge aus und sind für die Funktion der Augenlinse enorm wichtig.
Entschlüsselung der Struktur des alpha-A-Kristallin
Die Entschlüsselung der Struktur des alpha-A-Kristallin beschäftigt Forschende seit vierzig Jahren. Einem Forschungsteam um Sevil Weinkauf, Professorin für Elektronenmikroskopie und Johannes Buchner, Professor für Biotechnologie an der TU München (TUM) gelang jetzt der Durchbruch. Sie entwickelten eine neue Strategie zur Datenanalyse und kombinierten Kryo-Elektronenmikroskopie, Massenspektrometrie, NMR-Spektroskopie und molekulare Modellierung. Dabei fanden sie heraus, dass die Struktur des alpha-A-Kristallins in Lösung in verschiedenen Strukturen mit 12, 16 oder 20 Untereinheiten vorliegt.
Foto: Menschliches alpha-A-Kristallin liegt in Strukturen aus je 12, 16 und 20 Untereinheiten vor (v.l.n.r.). Jeweils zwei Untereinheiten (Bildmitte, dunkel- und hellgrau) bilden ein Dimer. Ein Dimer ist ein Molekül oder ein Molekülverbund, der aus den Monomeren besteht, zwei oft identischen Untereinheiten.
Funktion von Schutzproteinen
Schutzproteine helfen anderen Proteinen bei Stress, ihre Form zu bewahren. Stress kann zum Beispiel durch hohe Temperaturen auftreten. Diese Funktion haben auch alpha-A-Kristallin und alpha-B-Kristallin. Darüber hinaus besteht menschliches alpha-A-Kristallin aus zwei Cysteinresten, deren Schwefelatome Disulfidbrücken bilden können. Cystein ist eine Aminosäure und einer der 20 Bausteine des Proteins.
Biochemische Untersuchungen zeigten, dass sich diese Verbrückung deutlich auf verschiedene Eigenschaften des Proteinmoleküls auswirkt.
Schutz anderer Proteine vor Oxidation
Die Befunde der Forschenden legen nahe, dass sich das alpha-A-Kristallin aktiv am Schutz anderer Proteine vor Oxidation beteiligt.
Wie sich zeigte, kann das oxidierte alpha-A-Kristallin die vorhandene Disulfidbrücke sogar auf andere Proteine übertragen und damit den Redoxzustand anderer Linsenproteine beeinflussen. Redox ist ein Kofferwort aus Reduktion und Oxidation. Diese Funktion erklärt auch, warum schon im Embryo etwa die Hälfte der alpha-A-Kristalline solche Disulfidbrücken besitzt.
Rund 35 Prozent aller Erblindungen sind auf den Grauen Star zurückzuführen. Das molekulare Verständnis der Funktionen der Augenlinsenproteine hilft, neue Präventions- und Therapiestrategien zu entwickeln. Die Erkenntnis, dass alpha-A-Kristallin auch beim Oxidationsschutz eine wichtige Rolle spielt, ist grundlegend für weitere Forschungsprojekte.
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