Entschlüsselung des Einflusses von in spondyloepiphysärer Dysplasie vorkommender struktureller Veränderungen auf die mechanischen Eigenschaften von Kollagen Typ II

• Antragstellerin: Dr. Kathrin Lehmann
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 415037474

Kollagen, eines der in Wirbeltieren am häufigsten vorkommenden Proteine, spielt eine entscheidende Rolle für die Aufrechterhaltung der Integrität von verschiedenen Geweben. Alle Kollagentypen sind aus drei Alpha-Ketten aufgebaut, die zu einer Dreifach-Helix umeinander gewickelt sind und zu Strukturen höherer Ordnung assemblieren können. Obwohl bekannt ist, dass Kollagen als Hauptkomponente von Knorpel reibungsfreie Bewegungen zwischen Gelenkoberflächen gewährleistet und starken Belastungen stand hält, konnten die mechanischen Eigenschaften von Kollagen bis heute nicht vollständig bestimmt werden. Widersprüchliche Hypothesen für das Verhalten von Kollagen unter Krafteinwirkung wurden aufgestellt. Sowohl 1) Überdrehen als auch 2) Abwicklung der Dreifach-Helix wurden vermutet. Für alle bisher durchgeführten Experimente wurden magnetische oder optische Pinzetten verwendet, die sehr teuer sind, einen niedrigen Durchsatz aufweisen und fundiertes Fachwissen erfordern. Eine kürzlich entwickelte Technik – die Zentrifugations-Kraft-Mikroskopie (centrifuge force microscopy, CFM) – hilft diese Probleme zu überwinden. CFM ermöglicht Hochdurchsatz-Einzelmolekül-Belastungsmessungen für Strukturstudien unter Verwendung von Zentrifugalkraft mit der Möglichkeit zur Temperaturregulation, Echtzeit-Video, langer Messzeit (> 2 Stunden) und niedrigen Baukosten (< 700 €). Das System besteht aus einem Miniatur-Lichtmikroskop, das in eine Art Zentrifugenbecher montiert ist und somit Einzelmolekül-Messungen im Ensemble ermöglicht. Mit Hilfe dieser Technik kann das Verhalten von Kollagen unter Krafteinwirkung in einer Hochdurchsatzweise analysiert werden. Unter Verwendung ausgewählter Enzyme, die selektiv die intakte oder die abgewickelte Dreifach-Helix schneiden, können lokale und globale Veränderungen der Kollagenstruktur bei unterschiedlicher Belastung und verschiedenen Temperaturen analysiert werden. Dieses Wissen kann dann verwendet werden um den Einfluss von Mutationen, die zu einem Aminosäureaustausch führen und mit spondyloepiphysäre Dysplasie (SED) in Verbindung gebracht werden, auf Kollagens mechanische Eigenschaften zu charakterisieren. SED beschreibt eine Gruppe von Skelettdysplasien, die sowohl das Wachstum als auch den Umbau und Regeneration von Knorpel und Knochen beeinflusst. Mein Ziel ist es das Verhalten der Dreichfach-Helix von Wildtyp Typ-II-Kollagen unter Belastung bei verschiedenen Temperaturen zu bestimmen und den Einfluss von SED relevanten Mutationen auf dieses Verhalten zu charakterisieren. Diese Studie wird helfen die mechanischen Eigenschaften von Kollagen genauer zu Beleuchten und die Auswirkungen der besagten Mutationen genauer zu bestimmen um das Geheimnis der Genotyp-Phänotyp-Verknüpfung in Kollagen zu lüften.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Kanada
• Gastgeberin: Professorin Nancy Forde