NMR-Spektroskopische Untersuchungen von Ungeordneten Proteinkomplexen

Ziel dieses Projektes ist es, mittels NMR-Spektroskopie die atomaren Details von Protein/Protein und Protein/Liganden Erkennung von intrinsisch ungefalteten Proteinen (IDPs) aufzuklären. Geplant ist, mit atomarer Auflösung, Änderungen in der struturellen Dynamik von IDPs durch das Binden an Membransysteme, kleine Moleküle und Proteinbindungspartner zu untersuchen, sowie den Einfluss von post-translationalen Modifikationen (langkettige Acylierung und Phosphorylierung) zu studieren. IDPs besitzen einserseits faszinierende, physikalisch-chemische Eigenschaften und stellen das konventionelle Stuktur-Funktions Paradigma ("Form follows Function") in Frage. Sie sind an zentralen biologischen Prozessen beteiligt und von grundlegender Bedeutung in physiologischen und pathologischen Prozessen. Ihre Erforschung hat daher in den letzten Jahren stark zugenommen. Diese Proteine besitzen keine stabil gefaltene Tertiärstruktur und das Einnehmen eines heterogenen konformationellen Raumes ermöglicht es IDPs, mit multiplen Bindungspartnern zu interagieren. Die Details der Interaktionen mit Partnern sind allerdings nur schwer zu erfassen und mehrere Modelle, die molekulare Interaktionen von IDPs beschreiben, wurden vorgeschlagen (folding upon binding, fuzzy complex). Allerdings beschreibt keines dieser Modelle umfassend, wie IDPs mit so vielen verschieden Partnern (kleine Moleküle, Ionen, Proteine) sequentiell oder gleichzeitig interagieren können. Dies aufzuklären, ist Gegenstand des Projektes. Die IDPs, die wir für unsere Forschungen ausgewählt haben, sind Growth Associated Protein 43 (GAP-43) und Brain Acid Soluble Protein 1 (BASP1). Diese zwei funktionell verwandten Proteine können Phosphatidylinositol- 4,5-bisphosphate (PIP2) in lipid rafts von Neuronen anhäufen. Beide können mittels langkettiger Acylierung modifiziert werden, binden Calcium, sind Substrate von Protein Kinase C (PKC) und interagieren mit Calmodulin (jedoch auf äußerst unterschiedliche Weise). Überraschenderweise besitzen GAP-43 und BASP1 trotz ähnlicher Funktionalität keine signifikante Sequenzidentiät. Ziel des Projektes ist es daher, herauszufinden, wie unterschiedliche (jedoch funktionell verwandte) IDPs verschiedene konformationelle Ensembles einnehmen können, um mit ihren Partnern zu interagieren. Die Tatsache, daß BASP1 als Tumorsuppressor wirkt, verleiht den zu erwartenden Ergebnissen zusätzliche medizinische Bedeutung für die experimentelle Krebsforschung.

Ziel des Projektes war es, mittels NMR-Spektroskopie die atomaren Details von Protein/Protein und Protein/Liganden Erkennung von intrinsisch ungefalteten Proteinen (IDPs) aufzuklären. IDPs besitzen faszinierende, physikalisch-chemische Eigenschaften und stellen das konventionelle Stuktur-Funktions Paradigma der Molekularbiologie grundsätzlich in Frage. Trotz des Fehlens einer stabil gefaltenen Tertiärstruktur und eines heterogenen Konformationsraum sind diese Proteine an zentralen biologischen Prozessen beteiligt und von grundlegender Bedeutung in physiologischen und pathologischen Prozessen. Die Details der Interaktionen mit Partnern waren allerdings bislang nur schwer zu erfassen und die vorgeschlagenen Modelle unzureichend. Im nunmehr erfolgreich abgeschlossenen Projekt wurden Änderungen der strukturellen Dynamik von IDPs durch das Binden an Membransysteme, kleine Moleküle und Proteinbindungspartner daher im Detail mit atomarer Auflösung untersucht. Dazu wurden neuartige Proteinsynthese-Methoden und visuelle Darstellungsmethoden entwickelt, die einzigartige Details der molekularen Dynamiken und Erkennungsmechanismen essentieller biologischer Prozesse lieferten. Die gewonnenen Erkenntnisse erlauben numehr nicht nur eine genauere Analyse der strukturellen Dynamik dieser Proteine, sondern eröffnen auch neue Interventionsstrategien für therapeutische Anwendungen.