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Strukturbiologie

Dr. rer. nat. Daniel Kümmel

Dr. rer. nat. Daniel Kümmel

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In allen Organismen erfüllen Proteine als „molekulare Maschinen“ verschiedenste Funktionen, um zelluläres Leben zu ermöglichen. Um vollständig zu verstehen, wie diese Eiweißstoffe ihre Aufgaben erfüllen, ist es wichtig, ihren Aufbau möglichst genau zu bestimmen. Wir nutzen dazu die Methode der Röntgenkristallographie sowie ergänzende biophysikalische und biochemische Methoden, mit deren Hilfe wir die Struktur der Proteine auf atomarer Ebene visualisieren und ihre Funktionsweise erklären können. Ein detailliertes Verständnis von Proteinstrukturen ermöglicht auch die Entwicklung von neuen Medikamenten.

Da eine Vorhersage der Proteinstruktur aufgrund der Gen- oder Aminosäuresequenz in der Regel nicht möglich ist, werden für die Strukturbestimmung experimentelle Methoden genutzt, wie z. B. die Röntgenkristallographie. Dazu wird das zu untersuchende Protein aufgereinigt und kristallisiert. Die Kristalle werden dann mit Röntgenstrahlung beschossen, was zur Bildung von Beugungsmustern führt (Abbildung 1). Mittels Computeranalysen kann daraus die Struktur des Proteins berechnet werden.

Abbildung 1 Galerie von Proteinkristallen (links) und Beugungsmuster eines Proteinkristalls nach Beschuss mit Röntgenstrahlung (rechts).

Wir sind in diesem Zusammenhang an der Struktur von Proteinen und Proteinkomplexen interessiert, die das Zusammenspiel von zellulären Transportprozessen und Signalvermittlung koordinieren.

Um den Austausch von Stoffen zwischen verschiedenen Kompartimenten innerhalb der Zelle und mit ihrer Umgebung zu ermöglichen, werden diese Substanzen in Vesikeln von Donor- zu Akzeptormembranen transportiert. Dies ist unter anderem der Fall bei der Aufnahme von Nährstoffen, der Ausschüttung von Hormonen oder bei der Sekretion von Neurotransmittern zur Kommunikation zwischen Nervenzellen.

Diese Prozesse müssen allerdings genau reguliert werden, damit sie nicht spontan, sondern zur gewünschten Zeit am richtigen Ort stattfinden. Diese Feinregulation ist besonders wichtig bei der Sekretion von Nervenbotenstoffen an der Synapse von Neuronen, die durch ein spezialisiertes Regulationssystem kontrolliert wird.

Neurotransmitter sind in Vesikeln gespeichert, welche mit Hilfe von SNARE-Proteinen mit der synaptischen Zellmembran fusionieren können. Dies führt zur Ausschüttung der Neurotransmitter. Im Ruhezustand jedoch wird diese Fusion durch das regulatorische Protein Complexin unterdrückt. Erst wenn ein Nervenimpuls die Nervenzelle erreicht, wird diese Blockade durch das Sensor-Protein Synaptotagmin aufgehoben, was dann zu einer besonders schnellen und effizienten Signalweitergabe führt.

Eine Struktur des Proteinkomplexes, bestehend aus Complexin und SNAREs ermöglichte es, zum erstem Mal zu verstehen, wie das unkontrollierte Feuern von Synapsen auf molekularer Ebene verhindert wird, und konnte damit einen wichtigen Beitrag zu unserem Verständnis liefern, wie das Nervensystem korrekt funktionieren kann (Abbildung 2). Außerdem lassen sich nun auf Basis dieser Struktur Hypothesen für die Funktionsweise des Sensors Synaptotagmin formulieren, die in weiteren Experimenten getestet werden können.

Abbildung 2 Die Übertragung von Nervenimpulsen erfolgt durch die Fusion von mit Neurotransmittern gefüllten Vesikeln mit der Zellaußenwand und kann in verschiedene Schritte unterteilt werden (oben). Die Strukturanalyse der Fusionsproteine (SNAREs) in Komplex mit regulatorischen Proteinen kann erklären, wie Nervenimpulse synchronisiert und koordiniert vermittelt werden (unten).

Unser Interesse gilt außerdem den Ral-GTPasen, welche die Kopplung von intrazellulären Transportprozessen sowie die Teilung und das Überleben von Zellen vermitteln (Abbildung 3). Rals können in aktiver oder inaktiver Form vorliegen, und der Übergang zwischen diesen Formen wird durch Regulator-Proteine als Reaktion auf z.B. Wachstumssignale bewirkt. Nur im aktiven Zustand erfüllen Rals durch die Interaktion mit Effektoren ihre verschiedenen Funktionen. Ral-Proteine sind unter anderem wichtig für die Regulation des Blutzuckerspiegels, können bei Überaktivierung aber auch zur Entstehung von Tumoren beitragen. Die Strukturbestimmung der Ral-Proteine und ihrer Regulatoren und Effektoren kann daher einen wichtigen Beitrag zum Verständnis von Krankheiten wie Diabetes oder Krebs liefern.

Abbildung 3 Ral-Proteine regulieren eine Vielzahl zellulärer Prozesse, die unter pathologischen Bedingung zur Entstehung von Krebs beitragen (orange unterlegt).

Literaturauswahl

  • *Jackson, L.P., *Kümmel, D., Reinisch, K.M., Owen D.J. (2012) Structures and mechanisms of vesicle coat components and multisubunit tethering complexes. Curr Opin Cell Biol, 24, 475-83
  • Kümmel, D., Reinisch, K.M. (2011) Structure of Golgi Transport Proteins. Cold Spring Harb Perspect Biol, 3 (12)
  • Kümmel, D., Krishnakumar, S.S., Radoff, D.T., Li, F., Giraudo, C.G., Pincet, F., Rothman, J.E., Reinisch, K.M. (2011) Complexin cross-links pre-fusion SNAREs into a zig-zag array: a structure-based model for complexin clamping. Nat Struct Mol Biol, 18: 927-933.
  • Kümmel, D., Heinemann, U., Veit M. (2006) Unique self-palmitoylation activity of the TRAPP component Bet3: A novel mechanism required for protein stability. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 103, 12701-12706.
  • Kümmel, D., Müller, J.J., Roske, Y., Misselwitz, R., Büssow, K., Heinemann, U. (2005) The structure of the TRAPP subunit TPC6 suggests a model for a TRAPP subcomplex. EMBO Rep 6, 787-793.