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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 ausüben, 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 Aminosäurensequenz 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.

Dabei fokussieren wir uns auf die Regulation von kleinen GTPasen, die als molekulare Schalter sich in einem aktiven oder einem inaktiven Zustand befinden können. Für ihre Funktion werden Aktivatoren (guanine nucleotide exchange factors, GEFs) und Inaktivatoren (GTPase activating proteins, GAPs) benötigt, die für die Umwandlung zwischen ‚an‘ und ‚aus‘ verantwortlich sind.

Koordination von Vesikeltransport
Extrazelluäre Substanzen und Oberfächenproteine werden von der Zelle durch endozytotische Vesikel aufgenommen, die dann zu frühen Endosomen fusionieren (Abbildung 2). Diese Organellen, in denen der Inhalt sortiert und recycelt werden kann, sind positiv für die Marker-GTPase Rab5. Alternativ können Proteine an das Lysosom weitergeleitet werden, wo sie abgebaut werden. Dazu ist eine Umwandlung des Organells in eine Rab7-positive Struktur nötig, ein Prozess, der bisher kaum verstanden ist. Allerdings wurde dem Mon1-Ccz1 (MC1) Komplex hierbei eine Schlüsselrolle zugeordnet: MC1 wird durch Rab5 rekrutiert und aktiviert dann Rab7, wodurch die Organellenumwandlung eingeleitet wird. Wie untersuchen die Funktion und Struktur von MC1, um so zu einem bessren Verständnis der endosomalen Reifung zu kommen.

Abbildung 2: Der Mon1-Ccz1 Komplex spielt eine zentrale Rolle bei der Umwandlung von Rab5- zu Rab7-positiven Membranen in der endosomalen Reifung.

Regulation von Wachstumssignalen über den TSC Komplex
Der TOR (target of rapamycin) Kinasekomplex ist ein zentraler Regulator von zellulären Wachstumsprozessen und wird unter anderem durch extrazelluläre Wachstumsfaktoren aktiviert (Abbildung 3). Dieses Signal wird an die kleine GTPases Rheb weitergeleitet: ohne Stimulation wird Rheb durch seinen GAP – den TSC (tuberous sclerosis) Komplex – inaktiv gehalten. Wenn Wachstumsfaktoren vorhanden sind der TSC Komplex ausgeschaltet, und Rheb sowie TOR werden aktiv. Mutationen im TSC Komplex sind die Ursache für die genetische Erkrankung Tuberöse Sklerose, bei der sich gutartige Tumoren in lebenswichtigen Organen (Haut, Gehirn, Lunge, Herz) bilden, was letztlich zu Organversagen führt. Der Mechanismus der Regulation von Rheb durch den TSC Komplex und die molekularen Grundlagen der Pathologie von Tuberöser Sklerose sind allerdings noch unklar. Wir hoffen durch die biochemische und strukturelle Charakterisierung des TSC Komplexes diese Aspekte besser beleuchten zu können

Untersuchungen von Schlangengiften
Schlangentoxine werden sezerniert um verschiedene Gewebe angreifen und zerstören zu können und bewirken beispielsweise Neuro- und Myotoxizität in Beutetieren (oder versehentlich in Menschen). Diese Proteine unterscheiden sich stark in ihrer biologischen Aktivität. Wir arbeiten mit unseren Kooperationspartnern an der Unversidad de Costa Rica zusammen, um diese Phänomene zu verstehen. Detaillierte Struktur-Funktionsanalysen sollen erklären, warum diese Toxine unterschiedliche Giftigkeit besitzen, und wir hoffen, dass diese Ergebnisse auf andere Systeme übertragbar sind.

Abbildung 3: Der TSC Komplex vermittelt Wachstumssignale über die GTPase Rheb zum TOR Komplex.

Literaturauswahl

  • Kiontke, S., Langemeyer, L., Kuhlee, A., Schuback, S., Raunser, S., Ungermann, C., Kümmel, D.(2017) Architecture and mechanism of the late endosomal Rab7-like Ypt7 guanine nucleotide exchange factor complex Mon1-Ccz1. Nat Commun, 8: 10.1038/ncomms14034
  • Zech, R., Kiontke, S., Mueller, U., Oeckinghaus, A., Kümmel, D. (2016) Structure of the Tuberous Sclerosis Complex 2 (TSC2) N-terminus Provides Insight into Complex Assembly and Tuberous Sclerosis Pathogenesis. J Biol Chem, 291: 20008-20020
  • Kümmel, D., Ungermann, C. (2014) Principles of membrane tethering and fusion in endosome and lysosome biogenesis. Curr Opin Cell Biol, 29C: 61-66