Relevanz der Methioninoxidation aus evolutionärer Sicht und im akuten oxidativen Stressmodell der Alzheimerschen Krankheit

Im Laufe der Evolution müssen Sauerstoff-metabolisierende Organismen eine Reihe von Anpassungen entwickelt haben, um in der zytotoxischen oxidativen Umgebung der sauerstoff-haltigen Erdatmosphäre überleben zu können. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten vergleichenden Analysen mitochondrial kodierter und kern-kodierter Proteome mehrerer hundert Spezies haben ergeben, dass die Evolution eines alternativen genetischen Codes in Mitochondrien eine moderne Adaptation in diesem Sinne war. Viele aerobe Tiere und Pilze dekodieren in Abweichung vom genetischen Standard-Code das Codon AUA als Methionin. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass diese Spezies dadurch eine massive Akkumulation der sehr leicht oxidierbaren Aminosäure Methionin in ihren Atmungskettenkomplexen erreichen, die generell ein bevorzugtes Ziel reaktiver Sauerstoffspezies sind. Der gewonnene Befund lässt sich widerspruchsfrei nur unter Annahme einer antioxidativen Wirkung dieser Aminosäure erklären, wie sie erstmals 1996 von R. Levine anhand von Oxidationsmessungen in Modellproteinen postuliert worden war. In der vorliegenden Arbeit wird diese Hypothese nun direkt mittels neuartiger Modellsubstanzen in lebenden Zellen bestätigt. Die durchgeführten bioinformatischen Analysen und zellbiologischen Experimente belegen, dass kollektive Proteinveränderungen die Triebkraft für die Evolution abweichender genetischer Codes sein können.rnDie Bedeutung von oxidativem Stress wurde darüber hinaus auch im Referenzrahmen einer akuten oxidativen Schädigung im Einzelorganismus untersucht. Da oxidativer Stress in der Pathogenese altersassoziierter neurodegenerativer Erkrankungen wie der Alzheimerschen Krankheit prominent involviert zu sein scheint, wurden die Auswirkungungen von Umwelt-induziertem oxidativem Stress auf den histopathologischen Verlauf in einem transgenen Modell der Alzheimerschen Krankheit in vivo untersucht. Dabei wurden transgene Mäuse des Modells APP23 im Rahmen von Fütterungsversuchen einer lebenslangen Defizienz der Antioxidantien Selen oder Vitamin E ausgesetzt. Während die Selenoproteinexpression durch die selendefiziente Diät gewebespezifisch reduziert wurde, ergaben sich keine Anzeichen eines beschleunigten Auftretens pathologischer Marker wie amyloider Plaques oder Neurodegeneration. Es war vielmehr ein unerwarteter Trend hinsichtlich einer geringeren Plaquebelastung in Vitamin E-defizienten Alzheimermäusen zu erkennen. Auch wenn diese Daten aufgrund einer geringen Versuchstiergruppengröße nur mit Vorsicht interpretiert werden dürfen, so scheint doch ein Mangel an essentiellen antioxidativen Nährstoffen die Progression in einem anerkannten Alzheimermodell nicht negativ zu beeinflussen.rnDuring evolution, oxygen-metabolizing organisms have developed multiple strategies to cope with the cytotoxic, oxidative environment of the oxygen-containing atmosphere. Comparative analyses in mitochondrial and nuclear encoded proteoms of several hundred species performed in this work unravel the evolution of an alternative genetic code in mitochondria as a modern adaptation to oxidative stress. As a consequence, many aerobic animals and fungi decode the former isoleucine codon, AUA, for methionine. This unusual decoding leads to a massive accumulation of an oxidant-labile amino acid, methionine, on the surfaces of respiratory chain complexes, which are exposed to a highly oxidative environment. These findings may yet find a coherent explanation in the antioxidative function of methionine, which was already postulated by Levine et al. in 1996. This work confirms this hypothesis by demonstrating that a newly synthesized lipophilic methionine compound significantly protects eukaryotic cells against oxidative damage. Thus, bioinformatics and cell biological experiments provide evidence that collective changes on the protein level can be the trigger for the evolution of alternative genetic codes. rnBesides looking at the fundamental evolutionary level, this work also explores consequences of acute oxidative damage on the single species level. Since oxidative stress is associated in the pathogenesis of age-related neurodegenerative diseases like Alzheimers Disease, the impact of environmental oxidative stress was examined in a transgenic mouse model of a familial form of Alzheimers Disease in vivo. The progression of histopathological hallmarks of Alzheimers Disease like senile plaques and neurodegeneration after feeding APP23 transgenic mice a diet deficient in the antioxidants selenium or vitamin E was examined. Life-long dietary selenium restriction led to a tissue specific reduction of selenoproteins, but not to accelerated plaque build-up or neurodegeneration. Even in due consideration of the limited animal numbers used in this study, it appears that a deficiency in essential antioxidative nutrients does not accelerate the progression of Alzheimers Disease in APP23 mice.r