Pseudoisocyaninchlorid (PIC) als Modell für Aggregation in zellulärer Umgebung
Neurodegenerative Krankheiten, wie Chorea Huntington, Morbus Alzheimer und Morbus Parkinson werden häufig durch Proteinaggregationen in zellulärer Umgebung ausgelöst. Fehlgefaltete und denaturierte Proteine, oft durch Mutation und/oder Stress hervorgerufen, sind die Hauptauslöser. Dabei bilden Proteine wie das Amyloid-β und τ-Proteine lange, stabile Fibrillen, die in Zusammenhang mit dem Krankheitsbild der neurodegenerativen Pathologien stehen. Trotz intensiver Forschungsarbeiten innerhalb der letzten Dekaden ist es bisher nicht möglich, diese Krankheiten zu heilen, lediglich eine Verlangsamung des Krankheitsverlauf kann auf medikamentösem Weg erreicht werden. In dieser Arbeit wird ein Modellsystem für zelluläre Aggregation mit dem organischen Farbstoff Pseudoisocyaninchlorid (PIC) in vitro und in vivo erarbeitet, um zukünftig ein besseres Verständnis für die pathogene Proteinaggregation zu erlangen. Weiterführend wird angestrebt, eine Reversibilität dieser Proteinaggregation zu erreichen, um in Zukunft eine Heilung dieser Krankheiten zu ermöglichen. PIC ist ein kationischer Farbstoff, der eine Selbstassemblierung zu fibrillenartiger Struktur aufweist, dies ähnelt derer der amyloiden Proteinaggregation. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass PIC als Modellsystem für zelluläre Aggregation verwendet werden kann, da PIC empfindlich auf Crowding mit Selbstassemblierung reagiert. Dies kann in vitro, unter Einfluss verschiedener Crowder wie z.B. Ficoll, und in vivo, unter zellulärem Crowding im Zytoplasma, beobachtet werden. Die Selbstassemblierung von PIC verstärkt sich in zellulärer Umgebung (Zytoplasma) dabei mit der eingesetzten PIC-Konzentration und dem osmotischen Druck, wird jedoch hauptsächlich vom zellulären Crowding initiiert. Experimente mit gezieltem Hitzestress zeigen eine Stabilisierung der monomeren Konfiguration im Zytoplasma und in Stressgranula, obwohl unter diesen Bedingungen das Crowding des Zytoplasmas erhöht, und in Stressgranula noch viel höher ist. Vergleichsexperimente konnten belegen, dass im Fall eines Overcrowdings die Aggregation, durch Volumenausschlusseffekte, unterdrückt wird. Nicht nur wird gezeigt, dass PIC als Modellsystem für zelluläres Crowding eingesetzt werden kann, es werden auch Beweise dafür gefunden, dass erhöhtes Crowding unter Stress nicht die Aggregation unterstützt, sondern durch Volumenausschlusseffekte Aggregation von Proteinen, wie bei PIC, inhibieren kann.
Neurodegenerative diseases such as Huntington's disease, Alzheimer's disease and Parkinson's disease are often triggered by protein aggregations in the cellular environment. Misfolded and denatured proteins, which often occur due to mutation and/or stress, are the main triggers. Proteins such as amyloid-β and τ proteins form long, stable fibrils that are associated with the clinical picture of neurodegenerative pathologies. Despite intensive research in recent decades, it has not yet been possible to cure these diseases; only a slowing of the disease progression can be achieved through medication. In this work, a model system for cellular aggregation with the organic dye pseudoisocyanine chloride (PIC) in vitro and in vivo is being developed in order to gain a better understanding of pathogenic protein aggregation in the future. Furthermore, the reversibility of this protein aggregation is being sought in order to enable a cure for these diseases in the future. PIC is a cationic dye that self-assembles into a fibril-like structure similar to that of amyloid protein aggregation. The results indicate that PIC can be used as a model system for cellular aggregation, as PIC is sensitive to crowding and responses with self-assembly. This can be observed in vitro, under the influence of various crowders such as Ficoll, and in vivo, under cellular crowding in the cytoplasm. The self-assembly of PIC increases in the cellular environment (cytoplasm) with the applied PIC concentration and osmotic pressure, but is mainly initiated by cellular crowding. Experiments with targeted heat stress show a stabilisation of the monomeric configuration in the cytoplasm and in stress granules, although the crowding of the cytoplasm is increased under these conditions and is even higher in stress granules. Comparative experiments have shown that in the case of overcrowding, aggregation is suppressed by volume exclusion effects. Not only is it shown that PIC can be used as a model system for cellular crowding, but evidence is also found that increased crowding under stress does not support aggregation, but can inhibit aggregation of proteins through volume exclusion effects, as in PIC.
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