Strukturelle Grundlagen von Spezifität in Ubiquitinierungsreaktionen

• Antragstellerin: Dr. Sonja Gisela Lorenz
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 240707550

Meine Arbeitsgruppe möchte entschlüsseln, wie Ubiquitin – ein einzelnes, kleines Protein – es vermag, unzählige Signalwege in eukaryotischen Zellen mit höchster Spezifität zu regulieren.Unser Forschungsprogramm zielt dabei besonders auf strukturelle und mechanistische Studien an HECT-Ubiquitinligasen und deren dynamischen, makromolekularen Komplexen ab. Im Laufe der ersten vier durch das Emmy Noether-Programm geförderten Jahre hat meine Arbeitsgruppe bedeutende Beiträge zum Verständnis von HECT-Ligasen geliefert, unter anderem durch Untersuchung ihrer konformationellen Dynamik, Regulation, Ubiquitin- und Substraterkennung. Beispielsweise haben wir erstmals einen regulatorischen Mechanismus in der krebsrelevanten HECT-Ligase HUWE1 entschlüsselt und publiziert (eLife, 2017). Wir haben außerdem aufgeklärt, wie die HECT-Ligase E6AP mit Ubiquitin wechselwirkt – Ergebnisse, die neue, grundlegende Prinzipien in der Ubiqutinkettenbildung durch HECT-Ligasen aufzeigen (Studie in Begutachtung). Zudem haben wir kürzlich eine neuartige Methode etabliert, die es uns erlaubt, den Mechanismus der Lysin-spezifischen Ubiquitinkettenbildung durch HECT-Ligasen auf atomarer Ebene zu verstehen. Wir erwarten, dass diese Methode, über HECT-Ligasen hinausgehend, für unser strukturelles Verständnis von Ubqiuitnierungsreaktionen von großem Nutzen sein wird. Neben unseren Untersuchungen an HECT-Ligasen haben wir einen regulatorischen Mechanismus in dem Ubiquitin-konjugierenden Enzym UBE2S entdeckt, das zusammen mit dem humanen Anaphase-Promoting Complex (APC/C) an der Steuerung des Zellzyklus beteiligt ist.Wir beantragen nun eine einjährige Verlängerung unserer Förderung durch das Emmy Noether-Programm, um folgende spezifische Ziele zu erreichen:(I) Aufklärung des strukturellen Mechanismus der Substraterkennung durch HUWE1, basierend auf Kristallstrukturen von HUWE1-MIZ1-Komplexen, die wir bereits gelöst haben(II) Aufklärung der strukturellen Mechanismen, mit denen Substrate gegenüber der katalytischen Domäne von HUWE1 ausgerichtet werden und deren Auswirkungen auf das Konformationsgleichgewicht dieser Ligase(III) Strukturelle Beschreibung der Ubiquitin-Erkennung durch HUWE1, basierend auf einer bereits durch uns aufgeklärten Kristallstruktur(IV) Strukturelle Entschlüsselung der Lysin-spezifischen Kettenbildung durch HECT-Ligasen mittels Strukturaufklärung eines ternären Komplexes aus Ligase und zwei Ubiquitinmolekülen, den wir mittels unserer neu entwickelten Methode herstellen könnenAll diese Teilprojekte bauen auf umfangreichen vorläufigen Daten auf, insbesondere mehreren bereits gelösten Kristallstrukturen. Um diese vielversprechenden Ergebnisse in exzellenten Journalen veröffentlichen zu können, ist es nun essentiell, strukturelle Vorhersagen in funktionellen Studien zu validieren. Dafür wird ein weiteres Förderjahr durch das Emmy Noether-Programm von kritischer Bedeutung sein.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen