TRR 166:  Hochleistungs-Lichtmikroskopie zur Aufklärung der Funktion von Membranrezeptoren – ReceptorLight

• Fachliche Zuordnung: Biologie ; Chemie ; Medizin ; Physik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 258780946

Die Gesamtheit der Lebensvorgänge in einer Zelle ist undenkbar ohne die Funktion von Membranrezeptoren. Neben der Aufrechterhaltung der Homöostase des Lebens haben Rezeptoren aber auch herausragende Bedeutung für die Pharmakologie und die kurative Medizin erlangt. Technologisch wurden im vergangenen Jahrzehnt enorme Fortschritte auf dem Gebiet der Hochleistungs-Lichtmikroskopie erzielt. Als außergewöhnlich erfolgreich für das Verständnis der Funktion von Membranrezeptoren hat sich die Kombination derartiger Techniken mit jüngsten maßgeblichen Entwicklungen von Fluoreszenzfarbstoffen und -sonden unter Verwendung geeigneter funktioneller Messstrategien erwiesen. In einer übergreifenden Strategie, die von technischer Forschung in der Mikroskopie, Biophysik, Rezeptorphysiologie und -pharmakologie bis zur medizinischen Anwendung reicht, hat der TRR 166 ReceptorLight drei Hauptziele:1) Die Lokalisation und Dynamik von Rezeptoren wird mit der höchstmöglichen räumlichen und zeitlichen Auflösung mit allen zurzeit verfügbaren Methoden der Super-Resolution-Mikroskopie analysiert. Dabei sollen neue optische Techniken, verbesserte Datenanalysen, Fluoreszenzfarbstoffe, Sonden und optogenetische Werkzeuge entwickelt werden.2) Es sollen neue Einsichten in die Funktion metabotroper und ionotroper Rezeptoren mittels hochleistungsmikroskopischer Techniken gewonnen werden, insbesondere zu elementaren Prozessen wie der Bindung von Liganden, Konformationsänderungen der Bindungsdomänen und Untereinheiten, der kooperativen Interaktion von Untereinheiten, der Konformationsänderungen gesamter Rezeptoren sowie deren Interaktion mit anderen Proteinen. Aufbauend auf molekularen Strukturen soll die Kombination aus molekular-dynamischen Simulationen und Mutagenese das Verständnis der Rezeptordynamik einzelner Rezeptoren verbessern.3) Es sollen Strategien der Hochleistungsmikroskopie entwickelt und angewandt werden, um das Verständnis der Rolle von Rezeptoren bei verschiedenen Erkrankungen besser zu verstehen. Es wird erwartet, dass diese Untersuchungen beispielhaft aufzeigen, wie hochleistungsmikroskopische Ansätze vorteilhaft für diagnostische Zwecke eingesetzt und für die Entwicklung wirksamerer und sicherer Therapien verwendet werden können. Dabei ist das Arbeitsprinzip im TRR ReceptorLight iterativ: Neue Ergebnisse zur Lokalisation und Funktion von Rezeptoren stimulieren die Entwicklung neuer Techniken, die wiederum neue Ergebnisse zu den Rezeptoren ermöglichen, usw.

• DFG-Verfahren: Transregios

Abgeschlossene Projekte

• A01 - Aufbau freitragender Lipiddoppelschichten mit Diffusionsunterdrückung für die konfokale Einzelmolekül-FLIM-FRET Analyse von schaltbaren Membranrezeptoren und Transportern (Teilprojektleiter Börsch, Michael )
• A02 - Markerfreie Untersuchung von Struktur-Funktions-Relationen einzelner Membranrezeptoren durch spitzenverstärkte Raman-Streuung (Teilprojektleiter Deckert, Volker )
• A03 - Optogenetische Steuerung ionotroper Rezeptorfunktion durch zyklische Nukleotide (Teilprojektleiter Kittel, Robert J. ;  Nagel, Georg )
• A04 - Bioorthogonale Fluoreszenzmarkierung mit künstlichen Aminosäuren zur hochaufgelösten Abbildung von Rezeptoren mit molekularer Genauigkeit (Teilprojektleiter Heintzmann, Rainer ;  Kollmannsberger, Philip ;  Sauer, Markus )
• A05 - Zusammenhang zwischen Bindung einzelner Liganden und Aktivierung einzelner HCN- und CNG-Kanäle (Teilprojektleiter Benndorf, Klaus ;  Schmauder, Ralf )
• A09 - Schnelle intra- und intermolekulare Dynamiken G-Protein-gekoppelter Rezeptoren und ihre zeitliche Auflösung durch Fluoreszenz(kreuz)korrelations-Spektroskopie (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Heinze, Katrin G. ;  Lohse, Martin J. )
• B01 - Untersuchung der Assemblierung, der Ligandenbindung und des Schaltens heterotetramerer CNG-Kanäle über FRET-Messungen (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Biskup, Christoph ;  Nache, Vasilica )
• B03 - Interaktion zwischen GABAA-Rezeptor-Funktion und Netzwerkaktivität im sich entwickelnden Hippokampus (Teilprojektleiter Holthoff, Knut ;  Kirmse, Knut )
• B04 - Hochauflösung aktivitätsvermittelter Dynamik ionotroper Glutamatrezeptorent in vivo (Teilprojektleiter Kittel, Robert J. ;  Sauer, Markus )
• B05 - Untersuchungen zur Organisation und Dynamik von Rezeptoren der inhibitorischen Neurotransmission mittels hochauflösender Mikroskopie (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Heintzmann, Rainer ;  Maric, Hans Michael ;  Qualmann, Britta )
• B06 - Funktionelle Plastizität von Glutamatrezeptorkanälen auf hippokampalen Moosfaserboutons (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Heckmann, Manfred ;  Sirén, Anna-Leena K. )
• B07 - Beziehung zwischen Ligandenbindung und Aktivierung in nikotinischen Acetylcholin-Rezeptoren (Teilprojektleiterin Kusch, Jana )
• B08 - Plastizität und dynamische Interaktionen in der Chitin-induzierten, Rezeptor-vermittelten angeborenen Immunität von Pflanzen (Teilprojektleiter Geiger, Dietmar ;  Hedrich, Rainer )
• C01 - Untersuchung der räumlichen Anordnung und Dynamik von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren durch Einzelmolekül- und Superresolution-Mikroskopie (Teilprojektleiter Calebiro, Davide )
• C02 - Wie beeinflusst das Wechselspiel von Rezeptordynamik und Ligandenverweilzeit die Wirksamkeit von Liganden? (Teilprojektleiter Hoffmann, Carsten )
• C03 - FRET-basierte Analyse der Aktivität von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren der Adhäsionsklasse (Teilprojektleiter Langenhan, Tobias )
• C04 - Kinetik metabotroper Glutamat-Rezeptoren (Teilprojektleiter Benndorf, Klaus ;  Lohse, Martin J. )
• C05 - Echtzeitanalyse der μ-Opioid-Rezeptor Phosphorylierung und Desensibilisierung (Teilprojektleiter Schulz, Stefan )
• C07 - Signaltransduktion und subzelluläre Lokalisation der partikulären Guanylyl-Cyclasen A und B, Rezeptoren für natriuretische Peptide (Teilprojektleiterin Kuhn, Michaela )
• D02 - Humorale Autoimmunität gegen die GluN1 Untereinheit des NMDA Rezeptors: Untersuchungen der Auswirkungen auf Synapsen und deren Funktion mittels höchstauflösender Mikroskopie (Teilprojektleiter Doose, Sören ;  Geis, Christian )
• Z02 - Integrative Datenverwaltung und -verarbeitung (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Bücker, H. Martin ;  Henkel, Andreas G. ;  König-Ries, Birgitta )
• Z03 - Zentrale Verwaltung und Projektkoordination (Teilprojektleiter Benndorf, Klaus )

• Antragstellende Institution: Friedrich-Schiller-Universität Jena
• Mitantragstellende Institution: Julius-Maximilians-Universität Würzburg
• Beteiligte Institution: Leibniz-Institut für Photonische Technologien e.V. (IPHT)
• Beteiligte Hochschule: Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf; Universität Leipzig
• Sprecher: Professor Dr. Klaus Benndorf