Die erfolgreiche Synthese und Faltung von Proteinen ist eine Voraussetzung der Zellfunktion und ein Versagen der Proteinhomöostase führt zu Krankheit oder Tod. In der Zelle sichern molekulare Chaperone die korrekte Faltung der Proteine oder tragen zur Entsorgung unwiederbringlich fehlgefalteter Proteinsubstrate bei. Unter diesen Chaperonen sind kleine Hitzeschockproteine (sHsp) ein ATP-unabhängiger Teil des Proteostasenetzwerks. In dieser Arbeit habe ich das bisher wenig erforschte sHsp HSP-17 aus C. elegans untersucht. Im Gegensatz zu anderen sHsps zeigte HSP-17 nur eine geringe Aktivität beim Verhindern der Aggregation von Proteinsubstraten. Stattdessen konnte ich in vitro zeigen, dass HSP-17 die Aggregation von Modellsubstraten fördert, was hier für Metazoen-sHsps erstmals gezeigt wurde. HSP-17 kopräzipitiert mit Substraten und modifiziert deren Aggregate möglicherweise. HSP-17 kolokalisiert in vivo mit Aggregaten, und seine aggregationsfördernde Aktivität konnte ich für das physiologische Substrat KIN-19 und heterolog exprimierte polyQ-Peptide validieren. Durch ex vivo Analysen konnte ich zeigen, dass die Aktivität von HSP-17 für die Fitness relevant ist  In einem zweiten Projekt habe ich zur Entwicklung eines neuen Modelles für Aß-Pathologie in C. elegans beigetragen, welches substöchiometrische Markierungen verwendet, um eine zeitnahe Visualisierung der Aß-Aggregation in spezifischen Zelltypen zu ermöglichen. Das Modell spiegelt bekannte Phänotypen der Aß-Proteotoxizität aus Menschen und bestehenden C. elegans Aß-Stämmen wider. Interessanterweise zeigt eine Untergruppe der Neuronen, die IL2-Neuronen, eine höhere Anfälligkeit für die Aggregation und Proteotoxizität von Aß1-42. Eine gezielte Reduktion von Aß1-42 in IL2 Neuronen führt zu einer systemischen Reduktion der Pathologie. Somit bietet das Modell eine neue Plattform, um die Bedeutung molekularer Chaperone, wie z. B. der sHsps, für Amyloidosen zu untersuchen, auch im Hinblick auf menschliche Erkrankungen. / Successful synthesis and folding of proteins is a prerequisite for cellular function and failure of protein homeostasis leads to disease or death. Within the cell, molecular chaperones ensure correct protein folding or aid in the disposal of terminally misfolded protein substrates. Among these chaperones, small heat shock proteins (sHsps) are ATP-independent members of the proteostasis network. In this work, I analyzed the so far under-researched C. elegans sHsp HSP-17. Unlike other sHsps, HSP-17 exhibited only weak activity in preventing aggregation of protein substrates. Instead, I could show in vitro that HSP-17 can promote the aggregation of protein substrates, which is the first demonstration for metazoan sHsps. HSP-17 co-precipitates with substrates and potentially modifies the aggregates.  HSP-17 colocalizes with aggregates and pro-aggregation activity is present in vivo, which I demonstrated for the physiological substrate KIN-19 and heterologously expressed amyloidogenic polyQ peptides. By physiological, biochemical and proteomic analysis I showed that HSP-17 activity is relevant for organismal fitness In a second project, I contributed to the development and characterization of a novel model of Aß pathology in C. elegans. This new AD model employs sub-stoichiometric labeling to allow live visualization of Aß aggregation in distinct cell types. The model mirrors known phenotypes of Aß proteotoxicity in humans and existing C. elegans Aß strains. Interestingly, a subset of neurons, the IL2 neurons, is shown to be more vulnerable to Aß proteotoxicity and targeted depletion of Aß in these neurons systemically ameliorates pathology. Thereby, the model presents a new platform to assess the relevance of molecular chaperones such as sHsps in amyloidosis with a perspective on human disease.

Strukturelle Untersuchungen mittels Lösungs-NMR Spektroskopie sind für supramolekulare Maschinen mit Molekulargewichten von mehr als 150 kDa nur beschränkt möglich. Die Festkörper-NMR mit Probenrotation im sogenannten magischen Winkel (MAS) stellt dagegen eine molekulargewichtsunabhängige Methode dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Methode entwickelt, die die MAS NMR Spektroskopie an supramolekularen Komplexen in Lösung erlaubt. Proteinlösungen bilden demnach durch MAS und dessen Ultrazentrifugationseffekt homogene Proteinsedimente aus, in denen die rotatorische Diffusion großer Proteinkomplexe überwiegend aufgehoben ist. Auf diese Weise können klassische Festkörper-NMR Methoden angewandt werden, ohne dass Präzipitations- oder Kristallisationsverfahren erforderlich sind. In Kombination mit Proteindeuterierung, Protonendetektion sowie paramagnetischer Relaxationsverstärkung ermöglichte diese neuartige Methode die Zuordnung von Rückgrat-Amidresonanzen des 20S Proteasoms mit einem Molekulargewicht von 1,1 MDa. Weiterhin wurde diese Methode zur Untersuchung des kleinen Hitzeschockproteins alpha-B-Crystallin und dessen Cu(II)-Bindungseigenschaften genutzt. Das Chaperon (600 kDa) spielt eine wesentliche Rolle in der zellulären Proteinhomeostase. Verschiedenste NMR Techniken und andere biophysikalische Methoden zeigen, dass die konservierte alpha-Crystallin-Domäne ein Cu(II)-Ion nahe der Monomer-Monomer Interaktionsfläche mit pikomolarer Affinität bindet. Die Cu(II)-induzierte Freilegung von Substrat-Interaktionsflächen und Veränderungen in der dynamischen Quartärstruktur modulieren so die oligomere Architektur und die Chaperonaktivität von alpha-B-Crystallin. Die hier erstmals beschriebene MAS NMR Spektroskopie von sedimentierten Biomolekülen legt einen wichtigen Grundstein für zukünftige Struktur- und Dynamikuntersuchungen an großen molekularen Maschinen. / Structural investigations of large biomolecules by solution-state NMR are challenging in case the molecular weight of the complex exceeds 150 kDa. Magic-angle-spinning (MAS) solid-state NMR is a powerful tool for the characterization of biomolecular systems irrespective of their molecular weight. In this work, an approach was developed, which enables the investigation of supramolecular modules by MAS NMR. Protein solutions can yield fairly homogeneous sediments due to the ultracentrifugal forces during MAS. Since rotational diffusion is impaired, typical solid-state NMR techniques can thus be applied without the need of precipitation or crystallization. This new approach in combination with protein deuteration, proton-detection and paramagnetic relaxation enhancement enabled the observation and the assignment of backbone amide resonances of a 20S proteasome assembly with a molecular weight of 1.1 MDa. Similarly, the approach was used to characterize the small heat-shock protein alpha-B-crystallin with respect to its Cu(II)-dependent chaperone activity. The chaperone (600 kDa) plays an essential role in cellular protein homeostasis. We show that the conserved alpha-crystallin core domain is the elementary Cu(II)-binding unit specifically coordinating one Cu(II) ion near to the dimer interface with picomolar binding affinity. We suggest that Cu(II)-binding unblocks potential client binding sites and alters quaternary dynamics of both the dimeric building block as well as the higher-order assemblies of alpha-B-crystallin. In summary, MAS NMR employed to biomolecules in solution is a very promising tool to explore structural and dynamic properties of large biological machines with no upper size limit.