Kontrolle der Guanylatcyclase-Signaleinheit in der Phototransduktion durch das RD3-Protein
Biochemie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das RD3 Protein (retinal degeneration protein 3) inhibiert nicht nur die Photorezeptor-Guanylatcyclasen GC-E und GC-F, sondern aktiviert die Guanylatkinase (GUK), das Enzym das GMP zu GDP phosphoryliert. Diese bisher nicht bekannte Funktion von RD3 konnte durch Kolokalisationsstudien an der Mausretina und über direkte biophysikalische Interaktionsmessungen von RD3 und GUK zusätzlich bestätigt werden. RD3 kontrolliert somit mehrere Schritte des Nukleotidzyklus und beeinflusst kritisch die Synthese des sekundären Botenstoffes cGMP. Weiterhin hat RD3 unterschiedliche Auswirkungen auf Regulationsprofile von Mutanten der Guanylatcyclase GC-E, die mit Netzhautdegenerationen bei Patienten korrelieren. Unsere Ergebnisse zeigen verminderte Inhibierungen von GC-E- Mutanten durch RD3, was auf eingeschränkte oder weniger affine Wechselwirkungen hindeutet und somit auch empfindlich die Transportprozesse des Guanlytcyclase-Komplexes vom Innen- zum Außensegment stören könnte. Eine untersuchte Mutante der GC-E (Austausch der Aminosäure Valin gegen Leucin in Position 902 in der katalytischen Domäne) war besonders auffällig. Die Mutante zeigte eine hohe konstitutive Aktivität, was bezogen auf die bisher untersuchten GC-E Mutationen unerwartet war. So zeigen Mutationen in der katalytischen Domäne entweder keine oder deutlich reduzierte Aktivitäten. Auch passt das Aktivierungsprofil nicht zu den typischen Mustern, das bisher nur bei Mutationen in der Dimerisierungsdomäne beschrieben wurde, steht aber in Einklang mit dem drastischen Sehverlust der betroffenen Person mit der V902L-Mutation. Mutationen im Gen GUCA1A zeigen im betroffenen Protein GCAP1 häufig Verschiebungen im calcium-abhängigen Aktivierungsprofil. Die daraus resultierenden konstitutiven Aktivitäten der Guanylatcyclasen führen ebenfalls zu einer Störung der cGMP-Synthese in der Photorezeptorzelle, die wiederum von RD3 beeinflusst werden. Eine Punktmutation im GCAP1, die Makula- Dystrophie mit Symptomen einer altersabhängigen Makula-Degeneration verursacht, haben wir auf strukturbezogene Funktionsverluste untersucht. Daraus ließ sich eine strukturbasierte Erklärung für die Fehlfunktion der Mutante ableiten, die eine deutlich eingeschränkt Flexibilität in der Proteindynamik zeigte (Pressemitteilung der Universität und Uni Info 3/2017).
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2015) Protein and signaling networks in vertebrate photoreceptor cells. Front. Mol. Neurosci. Vol.8: 67
Koch, K.-W. and Dell'Orco, D.
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(2017) CaF2 nanoparticles as surface carriers of GCAP1, a calcium sensor protein involved in retinal dystrophies. Nanoscale 9, 11773-11784
Marino, V., Borsatto, A., Vocke, F., Koch, K.-W. and Dell'Orco, D.
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(2017) Dysfunction of cGMP signaling in photoreceptors by a Macular Dystrophy-related mutation in the calcium sensor GCAP1. Hum. Mol. Genet. 26, 133-144
Vocke, F., Weisschuh, N., Marino, V., Malfatti, S., Jacobson, S.G., Reiff, C. M., Dell’Orco, D., and Koch, K.-W.
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(2018) Control of the nucleotide cycle in photoreceptor cell extracts by retinal degeneration protein 3. Front. Mol. Neurosci. Vol. 11: 52
Wimberg, H., Janssen-Bienhold, U. and Koch, K.-W.
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(2018) Photoreceptor calcium sensor proteins in detergent-resistant membrane rafts are regulated via binding to caveolin-1. Cell Calcium 73, 55-69
Vladimirova, V.I., Zernii, E.Y., Baksheeva, V.E., Wimberg, H., Kazakov, A.S., Tikhomirova, N.K., Nemashkalova, E.L., Mitkevich, V.A., Zamyatnin Jr, A.A., Lipkin, V.M., Philippov, P.P., Permyakov, S.E., Senin, I,.I., Koch, K.-W., and Zinchenko, D.V
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(2018) Photoreceptor Guanylate Cyclase (GUCY2D) mutations cause retinal dystrophies by severe malfunction of Ca2+-dependent cyclic GMP synthesis. Front. Mol. Neurosci. Vol. 11:348
Wimberg, H., Lev, D., Yosovich, K., Namburi, P., Banin, E., Sharon, D. and Koch, K.-W.
