Strukturelle Studien der ZYG-1 in Centriole Assembly

Zentriolen sind Mikrotubuli-basierende Organellen und kommen in fast allen eukariotischen Zellen vor. Sie sind wichtig sowohl für die Bildung der Zentrosomen als auch für die Biogenese der Zilien. Während Zentrosomen für die Zellteilung wichtig sind, spielen Zilien eine wichtige Rolle bei der Signaldransduktion, der Zell Entwicklung und der Homeoöstase. Defekte Zentriolen können Apoptose auslösen und gelten als Verursacher einer Vielzahl von menschlichen Krankheiten. Aus diesen Gründen ist ein tieferes Verständnis der Mechanismen der Zentriolenbildung von großer Bedeutung für die weitere funktionelle Charakterisierung von Zentriolen, Zentrosomen und Zilien.Wärend der Zentriolen Duplikation werden Tochterzentriolen prozentriolar gebildet. Fünf zentriolare Proteine wurden in Nematoden identifiziert und eine hirarchische Einteilung ihrer Eingliederung in Prozentriolen eingerichtet. Einer der wichtigsten Schritte der zentriolen Bildung ist die Rekrutierung der polo-like kinase ZYG-1/Plk4, der Hauptregulator, durch ihre zentriolaren Rezeptoren SPD-2/Asterless. Weiters haben vorherige Studien gezeigt, dass ZYG1 selbst-regulierend in der Zelle wirkt. Die molekularen Details dieses Prozesses sind allerdings noch unklar und der präzise Mechanismus der Selbstregulation von ZYG1 ist noch unbekannt. Die Ziele dieses Projekts sind (1) aufzudecken, ob die unterschiedlichen Interaktionen von Plk4 mit SPD-2 und Asterless in anderen Organismen genauso konserviert sind wie im Menschen und (2), das Zusammenspiel zwischen den verschiedenen Domänen von ZYG1 zu erforschen. In der Praxis werden wir dafür diverse state-of-the-art Techniken wie z.B Röntgenkristallogarphie, NMR und Elektronenmikroskopie kombinieren sowie funktionelle analytische Tests in Nematoden durchführen. Die vorgeschlagene Forschung wird nach ihrem Abschluss ein besseres Verständnis der Rekrutierung der polo-like kinase ZYG-1/Plk4 wärend der Zusammensetzung der Zentriolen und der Selbstregulierung von ZYG1 in der Zelle ermöglichen. Weiters ist zu erwarten, dass unsere strukturellen Studien langfristig Hinweise für therapeutisches Drug Design bezüglich der kritischen Kinase Plk4 bieten werden.

Dem Wachstum aller Lebewesen liegt die immerwährende Teilung ihrer Zellen zugrunde. Ein wichtiges Element, das für einen zuverlässigen und zeitgerechten Ablauf sorgt, ist das Zentrosom, eine winzige Struktur, welche nur ein Tausendstel der Breite eines menschlichen Haares ausmacht. Im Zentrum dieses Zentrosoms befinden sich zwei senkrecht zueinander orientierte, zylinderförmige Strukturen, welche Zentriolen genannt werden. Trotz ihrer geringen Größe, sind sie die größte proteinbasierte Struktur einer Zelle. Um so beachtenswerter ist es, dass vor jeder Zellteilung ein neues Paar dieser Zentriolen gebildet werden muss. Die komplexe Struktur eines Zentriols zu begreifen gleicht der Lösung eines Puzzles, und birgt zwei großen Hürden. Zuerst ist immer noch ungeklärt wie viele Proteine, oder sozusagen "Puzzleteile", im Zentriol enthalten sind. Überdies sind diese "Puzzleteile" derart klein, dass es fast unmöglich zu sein scheint ihre Struktur auszumachen. Wir beabsichtigen einen Einblick in diese beiden Aspekte zu ermöglichen, um so die Struktur und Funktion der Zentriolen besser zu verstehen. Durch jahrelange, intensive Zusammenarbeit mit der Gruppe um Dr. David Glover, einem renommierten Genetiker an der University of Cambridge (2019 zum California Institute of Technology übersiedelt), konnten wir gemeinsam enthüllen, wie eine bis dato unbekannte Komponente des Zentriols, namens "Gorab", funktioniert. Gorab wurde zuvor ausschließlich dem Golgi-Apparat, eine wichtige membranumschlossene Struktur aller eukaryotischen und damit auch menschlichen Zellen, zugeschrieben. Unsere Arbeit zeigt, dass Gorab offensichtlich zwei Rollen einnimmt und zwischen Golgi-Apparat und den Zentriolen pendelt. In den Zentriolen interagiert Gorab mit einem weiteren zentriolären Protein, Sas6, um die zylindrische Form der Zentriolen, welche für eine störungsfreie Zellteilung unabdingbar ist, zu stabilisieren. Nebst unserer veröffentlichten Arbeit an Zentriolen, konnten wir zudem die Struktur eines Proteins namens "BILBO1" charakterisieren, welches essentiell für das Überleben des Humanparasiten Trypanosoma brucei ist. T. brucei ist als Erreger der ursächliche Auslöser der Afrikanischen Schlafkrankheit, welche Millionen von Menschen in Afrika betrifft. Die Kristallstruktur atomarer Auflösung eines entscheidenden Teils von BILBO1 offenbart eine hufeisenförmige Tasche, welche als Andockstelle für ein weiteres parasitäres Protein dient. Unsere Arbeit rückt eine potentielle Angriffsstelle für zukünftige Therapeutika in den Fokus, um die Afrikanische Schlafkrankheit zu bekämpfen. Zusätzlich haben wir einen neuartigen Typen eines Extended-Synaptotagmins (E-Syts) in T. brucei identifiziert und charakterisiert. Dieses Protein "heftet" den Golgi-Apparat eng an die Membran der Zelloberfläche und erlaubt so einen aktiven Lipidtransport zwischen den beiden Strukturen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das E-Syt Protein des Parasiten weitaus kürzer ist als alle bisher bekannten E-Syts, im Besonderen viel kürzer als alle bekannten humanen E-Syts. Wir glauben, dass dieses einzigartige Merkmal T. bruceis auf ein frühes Abspaltungsereignis während des evolutionären Prozesses beruht.