Elastin

Vorkommen und Eigenschaften

Elastin ist eines der wichtigsten Strukturproteine der extrazellulären Matrix von Wirbeltieren. Als Kernprotein der elastischen Fasern verleiht es verschiedenen Organen wie der Haut, der Lunge, Gefäßen, elastischen Bändern und Knorpel Elastizität und Spannkraft und ist daher Voraussetzung für deren dauerhafte Funktionsfähigkeit. Die Eigenschaften des Elastins ergänzen sich mit denen der Kollagene derart, dass die Gewebe insgesamt reißfest und reversibel verformbar werden.

   
SEM-Aufnahmen von elastischem Knorpelgewebe: wabenartige Struktur elastischer Fasern

Elastin weist eine einzigartige chemische Zusammensetzung auf, die durch das Vorhandensein von überwiegend vier hydrophoben Aminosäuren, Glycin, Alanin, Valin und Prolin charakterisiert ist. Elastin wird in Form seines monomeren Vorläuferproteins Tropoelastin sezerniert, das aufgrund alternativen Spleißens in verschiedenen Isoformen vorkommt und alternierend aus sehr hydrophoben Domänen und hydrophileren, lysinhaltigen Domänen besteht. Während die hydrophoben Domänen für die Selbstaggregation des Proteins und dessen Dehnungseigenschaften verantwortlich sind, spielen die hydrophileren Domänen bei der Quervernetzung Tropoelastins zum komplexen Biopolymer Elastin eine wichtige Rolle. Dabei entstehen die quervernetzten Aminosäuren Desmosin und Isodesmosin, die ausschließlich in Elastin vorkommen.

Einzigartige Quervernetzung in Elastin: Die Vierfach-Aminosäuren Desmosin und Isodesmosin

Aufgrund des hohen Anteils an hydrophoben Aminosäuren und seiner extensiven Quervernetzung ist Elastin vollkommen unlöslich, äußerst widerstandsfähig gegenüber äußeren Einflüssen und besitzt eine Halbwertszeit von ca. 70 Jahren.

Zahlreiche Untersuchungen haben zudem ergeben, dass Elastin nicht nur ein Strukturprotein ist, das den Aufbau und die biomechanischen Eigenschaften der extrazellulären Matrix beeinflusst, sondern dass es auch eine wichtige Rolle bei verschiedenen physiologischen Prozessen spielt. Bestimmte Peptide, die während des Abbaus von Elastin und Tropoelastin entstehen, können beispielsweise die Angiogenese fördern und beeinflussen verschiedene Zellaktivitäten wie Zelladhäsion, Chemotaxis, Migration, Proliferation, Proteaseaktivierung und Apoptose. Derartig wirkende bioaktive Elastinpeptide werden auch als Matrikine (vom Abbau eines Matrixproteines stammend) bzw. Elastokine bezeichnet.

Obgleich Elastin eine sehr große Halbwertszeit hat und sehr resistent gegenüber verschiedenen Umwelteinflüssen ist, kann es durch Proteasen angegriffen werden. Insbesondere die aberrante Expression elastinabbauender Enzyme aus den Familien der Matrixmetalloproteasen und Serinproteasen kann zur Schädigung elastischer Fasern und damit zum Verlust ihrer Funktionsfähigkeit führen. Die Schädigung Elastins verbunden mit den biologischen Prozessen, die durch Matrikine ausgelöst werden, können die Entstehung bzw. das Fortschreiten verschiedener Herz-Kreislauf-Erkrankungen wie beispielsweise Aortenstenose, Arteriosklerose, Aortenaneurysma und Lungenemphysem fördern und spielen eine Rolle bei Prozessen wie beispielsweise der Hautalterung und dem Krebsgeschehen. Daher ist es von großer Bedeutung, elastinschädigende Prozesse genau zu untersuchen und zu verstehen.

Forschungsschwerpunkte

Unsere Arbeitsgruppe widmet sich der Untersuchung der Schädigung elastischer Fasern durch verschiedene biologisch relevante elastinolytische Enzyme und analysiert die während des Elastinabbaus freigesetzten Peptide im Hinblick auf deren potenzielle Bioaktivitäten.

Ein weiterer Schwerpunkt stellt die strukturelle Charakterisierung nativen Elastins aus verschiedenen Geweben wie beispielsweise Haut, Aorta, Knorpel oder elastischen Bändern dar. Hierzu wird Elastin aus dem Gewebe isoliert und anschließend morphologisch unter Nutzung der Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Charakterisierungen auf molekularer Ebene erfolgen unter Verwendung flüssigchromatographischer und massenspektrometrischer Methoden.