Aktivierungsmechanismen von spannungsgesteuerten K + und Na + Kanälen

• Antragsteller: Professor Mikhail Kudryashev, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391515085

Spannungsgesteuerte Ionenkanäle sind immens wichtige Membranproteine, welche Öffnen und Schließen in Abhängigkeit des elektrischen Potentials an Membranen. Die Mechanismen der Aktivierung und Inaktivierung von spannungsgesteuerten Ionenkanälen werden seit jeder diskutiert, was sich als schwierig herausstellt, da es bisher nicht möglich war eine hochauflösende Struktur eines Kanales mit anliegendem Membranpotential zu bestimmen. Dieser Zustand wird Ruhezustand genannt und Kenntnis über diesen wird es ermöglichen den Mechanismus der Aktivierung zu verstehen.Momentan hat mein Laboratorium mit der Unterstützung des Institutes für Biophysik exzellente Expertise in Biochemie, Biophysik und Strukturbestimmung aus elektronenmikroskopischen Tomogrammen. Die Kombination dieser Methoden ermöglicht es die Struktur der Ionenkanäle in geschlossen Vesikeln mit einem extern kontrollierten Membranpotential zu bestimmen. Unser Ziel ist es drei Arten von Ionenkanäle im Ruhezustand zu untersuchen: (1) der bakterielle spannungs-gesteuerte Natriumkanal NaChBac, (2) der konventionelle eukaryotische spannungs-gesteuerte Kaliumkanal Kv1.2 und (3) ein nicht konventioneller eukaryotischer spannungs-gesteuerter Kanal mit den ursprünglichen Domänen. Der experimentelle Ansatz besteht aus der heterologen Expression der Proteine samt der Aufreinigung, der Rekonstitution in Liposome, die biophysikalische Charakterisierung und Strukturbestimmung.Um den Mechanismus zu verstehen ist es unabdingbar eine sehr hohe Auflösung aus den Subtomogrammen zu gewinnen. Dieses Verfahren ist die Methode der Wahl für strukturelle Analysen in situ. Für diese Methode wird kontinuierlich der Bildverarbeitungsprozess optimiert. Wir werden morderne Ansätze des maschinellen Sehens verwenden um mehr 3D Volumen mit anisotropischer Auflösung aus den Tomogrammen zu gewinnen. Wir werden ebenso die geometrischen und elektronenoptischen Verzerrungen bei der Verarbeitung der Daten in Betracht zu ziehen. Die Kombination dieser Methoden wird es uns erlauben alpha-helikale Strukturen aufzulösen und bestensfalls die Nähe der atomistischen Auflösung erreichen.The entwickelten Methoden zur Extraktionen von 3D Volumen aus Tomogrammen werden darüber hinaus auch für andere Forscher von Nutzen sind, da die Methoden veröffentlicht werden. Sie werden von uns benutzt um die Struktur der Ionenkanäle in Lipidvesikeln im Ruhezustand zu bestimmen. Kenntnis dieser Strukturen des Ruhezustandes wird einen großen Beitrag zum Verständnis der Struktur-Funktionsbeziehung der verschiedenen Ionenkanäle liefern. Dies wird pharmakologisch die Grundlage bilden für die Entwicklung von spezifischeren Arzneistoffen gegen eine Vielzahl von Herz-Kreislauf-Erkankungen und neurologische Störungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen