Struktur-Funktions-Beziehungen der Signalübermittlung in lichtaktivierten Zyklasen

Alle Lebewesen sind in der Lage Umgebungseinflüsse wahrzunehmen und zu verarbeiten. Licht ist ein wichtiger äußerer Faktor, der von einer Reihe von Photorezeptoren verarbeitet wird. Viele dieser lichtempfindlichen Proteine sind direkt an enzymatische Funktionen gekoppelt und ermöglichen so die Licht-aktivierung oder - inhibierung verschiedener zellulärer Vorgänge. In jüngster Zeit stieg das Interesse an lichtgesteuerten Systemen aufgrund der Etablierung der Optogenetik, bei der durch gentechnische Lokalisierung von optisch beeinflussbaren Systemen Prozesse gezielt gesteuert werden können. Der Bedarf an lichtgesteuerten System ist allerdings größer als die Möglichkeiten die natürlich vorkommende Photorezeptoren bieten. Trotz Fortschritts beim Verständnis der Lichtaktivierung verschiedener Photorezeptorfamilien ist das rationale Design künstlicher Systeme nicht trivial. Gerade weil die Mechanismen der Signalübertragung auch innerhalb von Photorezeptorfamilien unterschiedlich sind, liegt es nahe die Prinzipien der Kopplung von Sensor und Effektor besser zu untersuchen. Aus diesem Grund plane ich die Charakterisierung von Blau- bzw. Rotlicht-gekoppelten Guanylat- bzw. Adenylatzyklasen. Dabei handelt es sich um künstliche, lichtregulierbare Systeme, die auf preliminären Daten einer Blaulicht-gesteuerten Adenylatzyklase und der evolutionären Konservierung von Elementen der Signalübermittlung aufbauen. Die Identifizierung spezifischer Kopplungselemente der nah verwandten Effektor Domänen und der Vergleich der Funktionalitäten unterschiedlicher, künstlicher Chimären werden neue Einblicke in den Mechanismus der Kopplung von Sensor und Effektor ermöglichen. Zurerfolgreichen Charakterisierung dieser Systeme verwende ich einen interdisziplinären Ansatz bei dem ich Methoden der Biochemie und Strukturbiologie kombiniere. Durch Röntgenkristallografie erhaltene Strukturmodelle werden funktionell mit Hilfe von Wasserstoff-Deuterium Austausch Experimenten (HDX) erweitert, um Strukturelemente zu identifizieren die an der Lichtaktivierung und Signalübermittlung beteiligt sind. Die Kombination aller Ergebnisse wird unser Verständnis der Übermittlung von Lichtsignalen aus Sicht des Sensors aber auch des Effektors deutlich verbessern. Letztendlich wird ein besserer Einblick in das evolutionäre Design dieser Lichtschalter auch das rationale Design von künstlichen optogenetischen Werkzeugen unterstützen.

Im Rahmen des Projektes Struktur-Funktionsbeziehung der Signaltransduktion in lichtaktivierten Zyklasen wurde der Forschungsschwerpunkt auf eine Verbesserung des Verständnisses der Kopplung von unterschiedlichen Sensor- und Effektorproteinen gelegt. Dabei ist vor allem die in der Natur weit verbreitete Modularität verschiedener Sensoren und diverser direkt verbundener Effektoren ein wichtiger Hinweis darauf, dass keine spezifischen Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Bausteinen benötigt werden, sondern dass universellere Mechanismen am Werk sein müssen. Aufgrund unserer Arbeiten konnte das Konzept der Sensor-Effektor Kopplung durch einen Sensor-Linker-Effektor Mechanismus erweitert werden, der darauf basiert, dass spezielle helikale Strukturelemente Sensor- und Effektorbereiche miteinander verbinden und durch das vom Sensor prozessierte Signal in ihrer Struktur beeinflusst werden können. Zwar handelt es sich dabei um relativ geringe strukturelle Änderungen, jedoch führt dies in den von uns untersuchten Systemen zu bis zu 500-fach gesteigerten Aktivitäten bei Effektoren, die chemische Reaktionen katalysieren. Basierend auf der Tatsache, dass die Linkerbereiche zwischen inhibierenden und stimulierenden Konformationen wechseln, kann im Laufe der Evolution jedes System relativ einfach an die Anforderungen unterschiedlicher Organismen angepasst werden ohne die Signalverarbeitung des Sensors oder die chemische Reaktivität des Effektors zu beeinflussen Veränderungen einzelner Aminosäuren im Linker beeinflussen aber die relativen Stabilitäten der Linkerstrukturen und ermöglichen eine gezielte Anpassung der basalen Aktivitäten des Effektors sowie eine Adaptierung des Aktivierungsvermögens durch unterschiedliche externe Umwelteinflüsse, zum Beispiel Licht. In weiterer Folge wurde dieses verbesserte Verständnis der Sensor-Effektor Kopplung dazu eingesetzt um gezielt künstliche, lichtgesteuerte Systeme zu entwickeln. In unseren Arbeiten konnten wir erste vielversprechende Ansätze bei der Entwicklung eines Rotlicht- regulierten Systems erzielen das einen sekundären Botenstoff produziert, der bei einer Vielzahl metabolischer Prozesse von Bedeutung ist. Unter anderem konnten mit Hilfe dieses Systems gezielt die Bewegungsabläufe in einem Modellorganismus, dem Flachwurm Caenorhabditis elegans, beeinflusst werden. Solche optogenetischen Werkzeuge können gezielt eingesetzt werden um mit Hilfe von Lichtimpulsen auf nicht-invasive Weise Prozesse in tierischen Systemen sowohl zeitlich als auch örtlich mit hoher Präzision zu beeinflussen. Dadurch ergibt sich eine Vielzahl potentieller Anwendungen in Bereichen der Zellbiologie, aber auch in der Medizin. Nachteile systemischer Applikation von Medikamenten könnten durch eine gezielte Bestrahlung der betroffenen Regionen ersetzt werden und so ein Heilungsprozess, zum Beispiel im Rahmen einer Krebstherapie, gezielt eingeleitet werden, ohne potentiell toxische Nebenwirkungen im ganzen Körper hinnehmen zu müssen. Auch wenn solche Anwendungen noch nicht existieren, führten unsere Arbeiten zu einem besseren Verständnis der Sensor-Effektor Kopplung und ermöglichen somit einen gezielteren Ansatz bei der rationalen Entwicklung solcher neuartiger Systeme.