Der Aktivierungs- und Inaktivierungsmechanismus membranständiger Guanylatzyklasen

• Antragsteller: Professor Dr. Elmar Behrmann
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405360871

Wie nehmen Lebewesen ihr Umfeld wahr? Auf zellulärer Ebene spielen neben den G-Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) die membranständigen Guanylatzyklasen (mGCs) eine Schlüsselrolle in der Wahrnehmung von extrazellulären Signalen. Anders als bei den GPCRs, bei welchen eine Vielzahl von Proteinen an der Signaltransduktion und –Amplifikation beteiligt ist, sind bei mGCs Rezeptor-, Modulator- und Effektor-Funktion in einem einzigen Protein vereint. Im Gegensatz zu den GPCRs sind noch keine hochaufgelösten Strukturdaten für eine vollständige mGC verfügbar. Somit ist noch unbekannt durch welche molekularen Mechanismen mGCs alle drei Funktionen gewährleisten können. Ziel des beantragten Projektes ist es daher die 3D Struktur einer mGC sowie die molekularen Mechanismen ihrer Aktivierung und Inaktivierung mittels Einzelpartikel Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) aufzuklären. Hierfür werde ich mir zunutze machen, dass mit marinen Seeigelspermien ein Modellsystem existiert, bei welchem nicht nur die Signalwandlung durch mGCs bestens biochemisch untersucht ist, sondern welches auch eine optimale Materialquelle für strukturbiologische Untersuchungen darstellt: Dadurch dass Seeigelspermien in der Lage sein müssen einzelne Lockstoff-Moleküle im Meerwasser zu detektieren, haben sie im Laufe der Evolution Flagellen mit hoher mGC-Rezeptordichte entwickelt. Ich plane daher Spermien des Seeigels Arbacia punctulata zu verwenden, um ausreichende Mengen des Rezeptors für strukturbiologische Untersuchungen mittels Kryo-EM und Einzelpartikelrekonstruktion zu isolieren. Weiterhin plane ich definierte funktionelle Zustände der A. punctulata mGC darzustellen und strukturell zu untersuchen, um so die molekularen Mechanismen der Aktivierung sowie Inaktivierung aufzuklären. Insbesondere möchte ich ermitteln wie und mit welcher Stöchiometrie der Lockstoff Resact im mGC Komplex gebunden wird; erforschen welche strukturellen Änderungen diese Bindung des Liganden in der extrazellulären Liganden-Bindungsdomäne auslöst; verstehen wie extrazelluläre Liganden-Bindungsdomäne und intrazelluläre katalytische Domäne strukturell und funktionell gekoppelt sind; sowie tiefere Einblicke in die strukturellen und funktionellen Aspekte der Modulierung der mGC-Aktivität durch Phosphorylierung und Dephosphorylierung gewinnen. Phylogenetische Vergleiche sowie konservierte Phosphorylierungsstellen zeigen, dass die mGC aus A. punctulata Spermien ortholog zu den Peptid-bindenden mGCs aus höheren Säugern, GC-A und GC-B, ist. Daher werden die erwarteten Ergebnisse nicht nur fundamentale mechanistische Prinzipien der Liganden-Wahrnehmung von A. punctulata Spermien aufdecken, sondern auch einen Einblick in die GC-basierte hormonelle Kommunikation in Säugern gewähren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen