Protein-Interaktionen mit Wasser, Cosolventien und ionischen Flüssigkeiten
Die unmittelbare, molekulare Umgebung eines Proteins hat großen Einfluss auf seine Struktur und Funktion. Offensichtlich spielen hier das Wasser und andere mögliche Cosolventien eine entscheidende Rolle. Wir untersuchen systematisch verschiedene Aspekte der Veränderungen von Proteinen durch Variation des Lösungsmittels. Dabei verwenden wir insbesondere verschiedene ionische Flüssigkeiten, die sich in sehr hohen Konzentrationen auch mit Wasser mischen lassen. Außerdem erforschen wir die Effekte von "molekularem Crowding", wie es die Proteine in ihrer natürlichen Umgebung in einer Körperzelle erleben. Dabei helfen uns makromolekulare Substanzen, um diese Mikrostrukturierungseffekte im biophysikalischen Experiment nachzuahmen. Diese Forschungsarbeiten werden mit Hilfe des an der Ruhr Universität eingerichteten Research Departments Interfacial Systems Chemistry unterstützt und im Rahmen der Exzellenz-Initiative RUHR EXPLORES SOLVATION (RESOLV) vorangetrieben.
Wirkmechanismen von Interferon-induzierten, GTP-bindenden Proteinen
Zur Immunabwehr werden im Körper verschiedene Cytokine ausgeschüttet, um unter anderem die Produktion bestimmter Proteine zu induzieren, die antivirale oder antiparasitäre Funktionen ausüben. Unter diesen Proteinen gibt es auch Untergruppen der großen Familie von GTP-bindenden Proteinen. Unsere bisherigen biophysikalischen und strukturellen Untersuchungen haben gezeigt, dass sich diese Proteine in Abhängigkeit vom gebundenen Nukleotid (GTP vs. GDP) miteinander zu größeren Proteinkomplexen verbinden. Im weiteren erforschen wir, inwieweit die biologischen Funktionen dieser Proteine durch diese Eigenschaften realisiert beziehungsweise kontrolliert werden. Interessanterweise gehört auch das Protein Dynamin zu dieser Proteinklasse, welches aufgrund seiner vermutlich chemo-mechanischen Funktionsweise Vesikel von der Zellmembran abschnüren kann. Auch hier ist das Wechselspiel mit anderen Proteinen vor allem aber das Selbst-Assemblieren von Bedeutung. Da viele biochemische wie strukturelle Ähnlichkeiten zwischen Dynamin und den von uns untersuchten Vertretern dieser Proteinklasse bestehen, können wir vielleicht einen molekularen Mechanismus entdecken, der all diesen GTP-bindenden Proteinen gemeinsam ist. (neue 3D-Struktur)
Das von uns am intensivsten untersuchte Protein dieser Klasse ist hGBP1, welches auch gleichzeitig eine enzymatische Besonderheit aufweist: Im Gegensatz zu allen anderen GTPasen ist nicht nur GDP sondern auch GMP ein Produkt der GTP-Hydrolyse. Wir untersuchen diesen Mechanismus im Detail mit strukturellen und kinetischen Methoden (Mechanismus). Außerdem suchen wir zelluläre Interaktionspartner für dieses Protein, um die biologische Funktionsweise aufzuklären. Unterstützt wird diese Forschung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft und durch das Initial Training Network (Marie Curie Actions) TRANSPOL im Rahmen des 7. EU Rahmenprogramms.
Zelluläre Signaltransduktion vermittelt durch Proteinwechselwirkungen
Die Wechselwirkung zwischen dem GTP-bindenden Protein Ras und seinem Effektorprotein Raf-Kinase löst zelluläre Signale aus, die zu Zellteilung oder Differenzierung führen. Je nach Zelltyp und anderen Einflüssen kann Ras auch andere Effektorproteine aktivieren, die an der Programmierung vom Zelltod beteiligt sind oder an der Umgestaltung der Morphologie der Zelle. In einer gesunden Zelle sind all diese Vorgänge wohl reguliert und damit in einem Gleichgewicht, das das gewünschte Aussehen der Zelle und seine Funktionen bestimmt. Bestimmte Mutationen, die zu Änderungen im Ras Protein führen, können zusammen mit Veränderungen anderer Proteine zu einem Verlust dieser Kontrolle und dieses Gleichgewichts regulierter Vorgänge in der Zelle führen – unkontrolliertes Zellwachstum und die Entstehung von Krebs sind die Folge.
Ras hat eine große Auswahl von zu aktivierenden Signalen und bisher ist noch nicht verstanden, wie sie beeinflusst wird. Insbesondere ist noch unklar, welche zusätzlichen Proteine eingreifen, um eine selektive Aktivierung bestimmter Signalwege zu realisieren. Neben der Charakterisierung von paarweisen Interaktionen zwischen Ras- und Effektorproteinen haben wir daher damit begonnen, auch komplexere Proteinwechselwirkungen zu untersuchen, an denen drei oder vier verschiedene Proteine gleichzeitig beteiligt sind. In diesem Zusammenhang untersuchen wir auch das Potenzial kleiner, gezielt ausgewählter Moleküle, bestimmte Protein Interaktionen spezifisch zu inhibieren. Diese Forschungsarbeiten werden durchgeführt und gefördert mit Hilfe von Kooperationen innerhalb des Sonderforschungsbereichs 642 und des Protein Research Departments sowie innerhalb der Exzellenz Initiative PROTEIN INTERACTIONS: From molecular mechanisms to cellular functions and applications.
Im Einzelnen arbeiten wir an folgenden Themen
* Thermodynamische Charakterisierung der Bildung von Proteinkomplexen
*Stabilität von Proteinen in Lösungen mit Ionischen Flüssigkeiten
* Komplexere Ras/Effektorinteraktionen
* Kinetische Analyse von Proteinwechselwirkungen
* Einfluss von makromolekularen Cosolventien auf die Bildung von Proteinkomplexen
* Strukturelle Untersuchung von Proteinkomplexen
* Mechanismen der enzymatisch katalysierten GTP-Hydrolyse
* Selbstassemblierung großer GTP-bindender Proteine
* Identifizierung zellulärer Interaktionspartner und Analyse der Proteinkontaktflächen
* Bestimmung der Kontaktflächen in Proteinkomplexen und Mutationsanalyse