Strukturelle Basis für Interaktionen zwischen a-Actinin und Titin Filamenten

Die prinzipiellen Komponenten von gestreiften Muskelsarkomeren bestehen aus parallelen Anordnungen Aktin enthaltender dünner Filamente, die sich über die I-Bande erstrecken und mit den Myosin enthaltenden dicken Filamenten aus der A-Bande überlappen. Das dritte Filamentsystem besteht aus einzelnen Titinmolekülen, dem größten bekannten Vertebratenprotein, die sich jeweils über eine Hälfte von Sarkomeren erstrecken. Eine große Herausforderung besteht in der Definition und Charakterisierung der molekularen Basis von Protein-Protein Wechselwirkungen, um die Implikationen der Netzwerke dieser Interaktionen in Bezug auf Funktion und Kontrolle der Z-Scheibe in gestreiften Muskeln zu verstehen. Die modulare Organisation in a-Aktinin und Titin ermöglicht das gleichzeitige zustande kommen von multiplen Proteinwechselwirkungen, die nahe legen, daß sie in der Verknüpfung des Z-Scheibenkomplexes eine Rolle spielen. Obwohl Daten einer Reihe von Wechselwirkungen und Strukturen von Z-Scheibenproteinen bereits vorhanden sind, ist nur wenig über die molekularen Details der Gesamtarchitektur dieser interagierenden Komponenten sowie den daraus folgenden funktionellen und strukturellen Implikationen bekannt. Hauptziel des vorgeschlagenen Forschungsprojektes ist es, die Protein-Protein Vernetzungen, die das Titinfilament mit dem a-Aktininfilament in der Z-Scheibe mit einander verbinden, auf molekularer und struktureller Ebene zu untersuchen. Unser Ziel ist es, makromolekulare Komplexe herzustellen, in deren Zentren sich zwei wesentliche Z- Scheibenkomponenten, a-Aktinin und Telethonin, befinden. Binäre und Multikomponenten-Komplexe mit den jeweiligen Interaktionspartnern oder Domänen dieser Partner (MLP, ZASP, FATZ und a-Filamin) werden für die Analyse ihrer Strukturen generiert werden.

Bewegung ist lebenswichtig für alle Lebewesen, vom Transport einzelner Moleküle in Zellen bis zur Bewegung des gesamten Organismus. Die Skelettmuskeln in Wirbeltieren sind essentiell für alle bewussten Bewegungen wie Gehen, Laufen, Schwimmen oder Fliegen. Unbewusste Bewegungen z.B. im Herzmuskel, welche zur Kontraktion des Herzens führen (Herzschlag) oder jene in der glatten Muskulatur, die Peristaltik hervorrufen, sind von grundlegender Bedeutung für die Lebensfähigkeit dieser Organismen. Sarkomere bilden die kleinste zelluläre Einheit der Skelett- und Herzmuskulatur. Dysfunktionale Sarkomere sind darüber hinaus verantwortlich für viele Krankheiten, welche die Lebensqualität beeinträchtigen und weltweit das Gesundheitswesen belasten. Eine der komplexesten Bestandteile der Sarkomere ist die Z-Disk, welche die laterale Grenze benachbarter. Sarkomere bildet. In dieser werden die antiparallelen Actinfilamente der angrenzenden Sarkomere von alpha-Actinin quervernetzt, welches seinerseits an Titin - ein molekulares Lineal - bindet. Sowohl die Faszination als auch die Herausforderung der Z-Disk liegt in der Vielfalt ihrer Protein-Protein- Interaktionen. In diesem Projekt streben wir die strukturelle Charakterisierung ausgewählter Z - Disk - Proteine, im speziellen alpha-Actinin, Myotilin sowie die Interaktion zwischen Titin und Obscurin an, wobei makromolekulare Kristallografie als primäre strukturbiologische Methode verwendet werden soll, ergänzt durch die Techniken Small Angle X-Ray Scattering und FRET. Die Kristallstruktur der C-Terminalen Domäne M10 in menschlichem Titin (Position 34253-34350) und der N- Terminalen Domäne (Position 1-105) des Proteins Obscurin-like 1 zeigen deutlich die mechanische Instabilität dieses Komplexes, welche für dessen Funktion als Mechanosensor erwartet wird. Das auf Small Angle X-Ray Scattering basierende Modell des Dimers der Immunoglobulin like Domänen von menschlichem Myotilin zeigt auf molekularer Ebene, dass Myotilin nicht nur Actinfilamente bindet, sondern auch bündelt. Die Kristallstruktur des menschlichen alpha-Actinin 2 weist die molekulare Architektur eines antiparallelen Dimers auf, welches die molekulare Basis für seine Fähigkeit, antiparallele Actinfilamente benachbarter Sarkomere zu vernetzen, bildet. Darüber hinaus erklärt die Strukturanalyse die Grundlage der PIP2 -Regulation, die ihrerseits die Bindung von alpha-Actinin an Titin und damit das Targeting zur Z-Disk begünstigt.