Biophysikalische Untersuchung der Rezeptor-Kinase ErbB4

Die Zellmembran beherbergt Rezeptoren, die durch das Binden von Wachstumsfaktoren aktiviert werden und so die Zelldifferenzierung oder das Zellwachstum steuern. Das detaillierte Verständnis dieser Prozesse ist deshalb von so großer Bedeutung, da sowohl Ontogenese und Organentwicklung, als auch das Entstehen von Krebs durch das Gleichgewicht bzw. das fehlende Gleichgewicht dieser Signale bestimmt werden. Der Mechanismus der Aktivierung des Rezeptors Epidermal Growth Factor (EGFR), auch bekannt unter ErbB1, wurde bereits im Detail auf molekularer Ebene untersucht. Im gängigen Modell führt die Bindung eines Liganden, des EGF, zu einer Dimerisierung von ErbB1, welche zur Aktivierung des Rezeptors führt. Das selbe Aktivierungsprinzip wurde auch für ErbB4, ein anderes Mitglied dieser Rezeptor-Familie, gefunden. Da zu diesem Rezeptor noch keine detaillierten molekularen Studien vorliegen, wollen wir in diesem Projekt die potentielle Formierung von Dimeren und größeren Rezeptorclustern untersuchen. Dies soll in ruhenden und Wachstumsfaktor-stimulierten Zellen erfolgen und Aufschlüsse liefern, wie diese Vorgänge das Signal über die Zellemembran weiterleiten. Wir planen dazu, neueste mikroskopische Methoden zu verwenden, die kürzlich in den Laboratorien des ungarischen und österreichischen Projektpartners entwickelt wurden. Der komplementäre Charakter dieser Methoden erlaubt es, sich auf einzelmolekularer Ebene beispielslose Einblicke in diese molekularen Vorgänge zu verschaffen. Unser Ziel ist es, erstmalig damit ein quantitatives Modell der ErbB4 Aktivierung zur erstellen. Der in diesem Projekt untersuchte Rezeptor, ErbB4, ist dabei insofern von großer Bedeutung, da er eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der bösartigsten Tumore, der Melanome, spielt. Ein detailliertes Verständnis dieser Rezeptorinteraktionen kann somit neue Diagnose- oder Therapieansätze gegen diese verheerende Krankheit aufzeigen.

Zellen in unserem Körper stehen in ständigem Austausch miteinander. Sie nutzen dafür kleine "Antennen" auf ihrer Oberfläche, sogenannte Rezeptoren, die Signale aus der Umgebung aufnehmen und in zelluläre Reaktionen übersetzen. Einer dieser Rezeptoren, ErbB4, spielt eine wichtige Rolle in der Entwicklung, insbesondere im Nervensystem und im Herzen, und wird auch mit Krebs in Verbindung gebracht. Trotz seiner Bedeutung ist noch wenig darüber bekannt, wie dieser Rezeptor in lebenden Zellen organisiert ist und funktioniert. In diesem Projekt wollten wir ErbB4 auf der fundamentalsten Ebene untersuchen: auf der Ebene einzelner Moleküle. Dafür nutzten wir hochentwickelte Mikroskopietechniken, mit denen sich einzelne Proteine auf der Oberfläche lebender Zellen in Echtzeit verfolgen lassen. Dies erforderte nicht nur modernste Instrumente, sondern auch die Entwicklung spezieller molekularer Werkzeuge. Ein entscheidender Schritt war die Herstellung sogenannter DARPins - kleiner Bindungsproteine, die spezifisch an ErbB4 binden, ohne dessen Funktion zu beeinflussen. Durch die Markierung dieser Moleküle mit fluoreszierenden Farbstoffen konnten wir einzelne Rezeptoren sichtbar machen und ihre Bewegung in der Zellmembran verfolgen. Die Ergebnisse waren überraschend: Das Verhalten von ErbB4 wird nicht primär durch Aktivierungssignale gesteuert, wie bislang angenommen. Stattdessen hängt es stark von seiner unmittelbaren Umgebung ab - insbesondere von den physikalischen Eigenschaften der Zellmembran. Veränderungen in der Membranzusammensetzung beeinflussen, wie schnell sich die Rezeptoren bewegen und wie sie organisiert sind, während externe Signale nur einen vergleichsweise geringen Effekt haben. Diese Erkenntnisse zeigen, dass Zellen ihre Signalverarbeitung nicht nur durch biochemische Prozesse regulieren, sondern auch durch physikalische Eigenschaften ihrer Membran. Damit eröffnet sich eine neue Perspektive auf die Funktionsweise zellulärer Kommunikation. Neben diesen biologischen Einsichten wurden im Projekt auch technologische Fortschritte erzielt. Die Weiterentwicklung der Mikroskopie-Hardware sowie die Optimierung experimenteller Abläufe ermöglichen es nun, einzelne Moleküle in lebenden Zellen zuverlässiger und präziser zu untersuchen. Insgesamt liefert dieses Projekt neue Werkzeuge und Ansätze, um Zellkommunikation auf der Nanoskala zu erforschen. Dieses Wissen ist entscheidend, um komplexe biologische Prozesse besser zu verstehen und könnte langfristig dazu beitragen, Krankheiten wie Krebs, bei denen Signalprozesse gestört sind, genauer zu untersuchen.