Molekulare Reaktionsmechanismen heterotrimerer G-Proteine

• Antragsteller: Professor Dr. Klaus Gerwert; Privatdozent Dr. Carsten Kötting
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 321722360

Heterotrimere G-Proteine sind zentrale Schalter in zahlreichen Signalkaskaden in Zellen. Diese werden in der Regel durch G-Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCR) angeschaltet, indem diese den Austausch von GDP zu GTP katalysieren. Dadurch zerfällt das heterotrimere G-Protein in seine Untereinheiten wodurch wichtige Signalwege in der Zelle angeschaltet werden. Durch GTP-Hydrolyse in der Galpha-Untereinheit werden die Signalwege wieder abgeschaltet. Die GPCRs werden derzeit von vielen Gruppen weltweit intensiv erforscht, insbesondere wegen ihrer zentralen Bedeutung in pharmakologischen Anwendungen. Im Gegensatz dazu wird hier die weniger detailliert erforschte Hydrolyse der Galpha-Proteine mit einem breiten, integrativen, biophysikalischen Ansatz aus zeitaufgelöster FTIR-Differenzspektroskopie und biomolekularen Simulationen untersucht. Die Galpha-Untereinheiten bestehen aus der auch in kleinen GTPasen konservierten G-Domäne und zusätzlich aus der all-alpha Domäne. Von den Galpha-Untereinheiten sind zahlreiche Röntgenstrukturmodelle bekannt. Allerdings wurden dabei nicht-hydrolysierbare GTP Analoga eingesetzt. Diese Analoga stören aber empfindlich das katalytische Zentrum. Die zeitaufgelöste FTIR-Spektroskopie kann im Gegensatz dazu mit dem natürlichen Nukleotid unter physiologischeren Bedingungen komplementär auch die Dynamik des Proteins und seiner Interaktionen mit atomarer Auflösung bestimmen. Diesen Ansatz haben wir bereits sehr erfolgreich für zahlreiche kleine GTPasen angewendet. In Vorarbeiten haben wir den Ansatz bereits auf Galpha-Proteine übertragen können. Um die in den IR Spektren enthaltenen detaillierten molekularen Informationen zu dekodieren werden QM/MM-Simulationen durchgeführt. Hier soll jetzt insbesondere die Rolle der katalytischen wichtigen Aminosäuren aufgeklärt werden. Neben dem Glutamin, das das nukleophil angreifende Wasser stabilisiert, soll insbesondere die Rolle des katalytischen Arginins bestimmt werden. Dieses liegt im Gegensatz zu kleinen GTPasen bereits intrinsisch im katalytischen Zentrum vor. Ferner wollen wir verstehen wie RGS-Proteine, anders als GAPs bei kleinen GTPasen, die Hydrolyse trotz fehlender direkter Wechselwirkung mit dem Nukleotid weiter beschleunigen. Damit wird das Abschalten der Signalwege reguliert. Neben dem Wildtyp Protein sollen insbesondere durch Mutationen des Arginins und des Glutamins induzierte Fehlfunktionen präzise bestimmt werden. Diese Mutationen spielen eine ursächliche Rolle bei schwerwiegenden Erkrankungen, wie dem McCune-Albright Syndrom oder bei Krebserkrankungen. Wir beginnen unsere Untersuchungen mit dem inhibitorischen Gi sowie dem aktivierenden Gs und wollen später Gemeinsamkeiten und Unterschiede zu Gt und Gq herausarbeiten. Weitere Erkrankungen wie Cholera und Keuchhusten werden durch Toxine verursacht, die Galpha-Proteine ribosylieren. Diese ADP-Ribolisierung soll ebenfalls im Detail untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen