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Biochemie/molekulare Zellbiologie

Prof. Dr. rer. nat. Christian Ungermann

Prof. Dr. rer. nat. Christian Ungermann

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Gesellschaft für Biochemie
und Molekularbiologie e.V.
(GBM)

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Eukaryontische Zellen verfügen über ein internes Membransystem, das für die Ausschleusung (Sekretion) und Aufnahme (Endozytose) von Proteinen verantwortlich ist. Der Transport zwischen den einzelnen Organellen erfolgt über Transportvesikel. Diese entstehen durch Knospung an einem Organell und verschmelzen mit dem Zielorganell, wobei sie ihre Fracht entladen. Auf diesem Weg werden beispielweise Hormone aus menschlichen Zellen ausgeschleust. In Hefen funktionieren die Prozesse ähnlich, sind jedoch bei weitem leichter zu untersuchen.

Die AG Biochemie/molekulare Zellbiologie erforscht die Prozesse der Endozytose und der Biogenese von Lysosomen/Vakuolen in Hefen (A). Im Zuge der Endozytose werden Proteine von der Zelloberfläche entlang der angedeuteten Pfeile im Bild zum Lysosom (der Vakuole in Hefe) transportiert. Dabei wandern Proteine durch das frühe (early) Endosom zum späten (late) Endosom, das schließlich mit dem Lysosom verschmilzt (siehe Teil B). Lysosomen spalten anschließend mit Hilfe von Verdauungsenzymen komplexe Strukturen wie Proteine in Aminosäuren, die die Zelle anschließend wieder zum Aufbau neuer Proteine nutzt.

In der Arbeitsgruppe werden die Prozesse untersucht, die dem Transport zur Vakuole zugrunde liegen. Ein besonderer Fokus der Arbeitsgruppe liegt auf der Funktion von Rab GTPasen (Rab5 und Rab7) und Tetheringkomplexen (HOPS und CORVET), die beide für die Fusion von Membranen benötigt werden (siehe  Abbildung). Hinzu kommen Projekte zu Membrankontaktzonen an Vakuolen, Autophagie und Signaltransduktionsprozessen an der Vakuole. Zu den häufig verwendeten Techniken gehören die Reinigung von großen Proteinkomplexen, Messung von Fusion und Membrandynamik mit isolierten Organellen und Liposomen, Lebendzell-Mikroskopie, Mutantenanalysen, Struktur- und Ultrastrukturanalysen. 

Derzeitige Projekte der Arbeitsgruppe:
•    Funktion und Struktur von Tetheringkomplexen (HOPS und CORVET)
•    Kontrolle der Rab5 und Rab7 Aktivität
•    Biogenese von Autophagosomen
•    Mechanismus der endosomalen Reifung
•    Vakuoläre Membrankontaktstellen

Molekulare Architektur des HOPS Komplexes. Die Struktur des gereinigten HOPS Komplexes (A) wurde mittels Elektronenmikroskopie gelöst (B). Die Bindung an die Rab7 GTPase Ypt7 konnte mit Hilfe von Gold-Markierung nachgewiesen werden (C). (D) zeigt die Anordnung der Untereinheiten im Komplex (aus Bröcker, Kuhlee, Christoforidis et al., PNAS 2012).

Kontaktzonen zwischen Organellen. (A) Das HOPS Protein Vps39 induziert Kontaktzonen zwischen Mitochondrien (grün) und Vakuolen (rot). Unten ist ein Elektronenmikroskopisches Bild gezeigt, bei dem Vakuolen ein Mitochondrium in die Mitte nehmen. (B) Inhomogene Verteilung eines vakuolären Proteins. Ivy1 und Vps39 sind an der gleichen Stelle zu finden wie ein Komplex der zellulären Signalübertragung, markiert mit dem Ego1 Protein (grün). (C) Ein schematisches Bild der Kontakte der Vakuole über die nukleäre-vakuolären Kontakte (NVJ) zum ER und über vCLAMPs zu Mitochondrien.

Literaturauswahl

  • Numrich J, Péli-Gulli MP, Arlt H, Sardu A, Griffith J, Levine T, Engelbrecht-Vandré S, Reggiori F, DeVirgilio C, Ungermann C (2015) The I-BAR protein Ivy1 is an effector of the Rab7 GTPase Ypt7 involved in vacuole membrane homeostasis. J Cell Sci 128, 2278-92.
  • Hönscher C, Mari M, Auffarth K, Bohnert M, Griffith J, Geerts W, van der Laan M, Cabrera M, Reggiori F, Ungermann C  (2014) Cellular metabolism regulates contact sites between vacuoles and mitochondria. Dev Cell 30, 86-94.
  • kleine Balderhaar H, Lachmann J, Yavavli E, Bröcker C, Lürick A, and Ungermann C (2013) The CORVET tethering complex promotes tethering and fusion of Rab5/Vps21-positive membranes. PNAS, 110, 3823-8.
  • Bröcker C, Kuhlee A, Gatsogiannis C, kleine Balderhaar H, Hönscher C, Engelbrecht-Vandré S, Ungermann C*, and Raunser S* (2011) Molecular architecture of the HOPS tethering complex. PNAS 109, 1991-1996
  • Cabrera M, Langemeyer L, Mari M, Rethmeier R, Orban I, Perz A, Bröcker C, Griffith J, Klose D, Steinhoff HJ, Reggiori F, Engelbrecht-Vandré S*, and Ungermann C* (2010) Phosphorylation of a membrane curvature–sensing motif switches function of the HOPS subunit Vps41 in membrane tethering, J Cell Biol 191, 845-859.

Biochemie/Bioenergetik & Nanomechanik

Abbildung 1 Modell der F-ATPase

apl. Prof. Dr. Siegfried Engelbrecht-Vandré

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Leben kann als Aufrechterhaltung eines geordneten Systems mittels Synthese, Informationsübertragung und Transport angesehen werden. Alle drei Vorgänge verbrauchen Energie, die in Pflanzen und einigen Bakterien durch die Photosynthese, in anderen Mikroorganismen und Tieren durch die Oxidation von Bestandteilen der Nahrung gewonnen wird. Als Energiewährung dient dabei das Molekül ATP, gleichermaßen in erdgeschichtlich sehr alten Organismen oder „neueren“ Entwicklungen wie Pflanzen, Tieren und dem Menschen. Ein Erwachsener verbraucht und resynthetisiert pro Tag etwa das eigene Körpergewicht an ATP, also bis zu 70 kg.

Wie kann ATP synthetisiert werden? Wenn der „Zerfall“ des ATP in ADP und Phosphat Energie liefert, dann muß die Synthese aus ADP und Phosphat Energie erfordern. Die Katalyse der ATP-Synthese muß also an eine energieliefernde Reaktion gekoppelt werden. Diese Kopplung erfolgt an einer Membran, die für die Reaktionspartner undurchlässig ist, wenigstens im Zeitrahmen der Synthesereaktion. Für chemische Reaktionen, die in zwei durch eine Membran voneinander getrennten Räumen ablaufen, spielt neben der Gleichgewichtseinstellung, also den Mengen, auch der Ort, an dem sich die Reaktionspartner befinden, eine wichtige Rolle: Die Ausgleichstendenz der räumlichen Konzentrations-Ungleichverteilung stellt nämlich eine nutzbare Energiequelle dar.

Abbildung 3 Rotor und Stator der F-ATPase

Im Zuge der Photosynthese in Pflanzen oder der Nährstoff-Oxidation bei Tieren werden Protonen in einem Reservoir angereichert. Die resultierende „protonenmotorische Kraft” treibt dann ihrerseits die ATP-Synthesereaktion an. Die ATP-Synthase (Abb. 1) ist daher kein gewöhnliches Enzym, das eine chemische Reaktion beschleunigt. Enzyme ändern nur das Tempo der Gleichgewichtseinstellung, nicht die Gleichgewichtslage selbst. Die ATP-Synthase beschleunigt nicht nur die Synthese-Reaktion, sondern koppelt diese außerdem an die protonenmotorische Kraft als Energiequelle. Diese Kopplung erfolgt über eine mechanische Rotation (Abb. 3) innerhalb des ATP-Synthase-Moleküls, die auf verschiedene Weise und in sehr unterschiedlichen Zeitdomänen sichtbar gemacht werden kann (Abb. 2).

Vielleicht nicht zuletzt infolge seiner mechanischen Beanspruchung ist das ATP-Synthase-Molekül erstaunlich robust gegenüber eine Reihe von Eingriffen. In der Arbeitsgruppe wird die molekulare Mechanik der ATP-Synthese mit biochemischen, chemischen, molekularbiologischen und biophysikalischen Methoden verändert und so untersucht.

Abbildung 2 Messung der Rotation

 

 

 

Literaturauswahl

  • W. Junge, H. Lill & S. Engelbrecht
    ATP synthase: an electrochemical transducer with rotatory mechanics
    Trends Biochem. Sci. 22, 420 - 423 (1997)
  • O. Pänke, K. Gumbiowski, W. Junge & S. Engelbrecht
    F-ATPase: specific observation of the rotating c subunit oligomer of EFoEF1
    Febs Lett. 472, 34 - 38 (2000)
  • W. Junge, H. Sielaff &  S. Engelbrecht
    Torque generation and elastic power transmission in the rotary FoF1-ATPase   
    Nature 459, 364 - 370  (2009)