Dynamik und Pufferfunktionen von intranukleären Actin-Cofilin Zusammensetzungen in zellulärer Stressantwort

• Antragstellerin: Dr. Julia Mahamid, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie ; Biophysik ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 419138452

Aktin, eines der am Häufigsten vorkommenden Proteine in eukaryotischen Zellen, ist charakterisiert durch seine Fähigkeit dynamische, semi-fexible Filamente im Zytoplasma zu bilden. Aktinfilamente sind ein integraler Bestandteil des Zytoskeletts und essentiell für Zellform, -teilung und –motilität. Weiterhin ist heute bekannt, dass Aktinmonomere im Nukleus an der Expression essentieller Gene beteiligt sind und dass Aktinfilamente innerhalb des Nukleus eine wichtige Rolle in spezifischer Genregulation und DNA-Reparatur spielen. Um eine normale Zellfunktionen zu gewährleisten, ist daher der Im- und Export von Aktin zusammen mit seinen Bindungspartnern Cofilin bzw. Profilin und die Aufrechterhaltung des Aktin-Steady-States von großer Bedeutung. Es ist bekannt, dass Aktin und Cofilin durch chemisch oder physikalisch ausgelöste Stressbedingungen lange, stabile Filamente innerhalb des Nukleus bilden. Während davon ausgegangen wird, dass eine vorrübergehende Bildung von Polymeren unter normalen Umständen auf eine natürliche und protektive Zellantwort zurückzuführen ist, werden Filamente mit längerer Lebensdauer hingegen mit verschiedenen Krankheitsbildern wie der sogenannten „Intranuclear Rod Myopathy“ oder der Huntington-Krankheit in Verbindung gebracht. Lange war es nicht möglich, intranukleäres Aktin in lebenden Zellen zu visualisieren. Deshalb ist heute noch unklar, welche Prozesse zu der Bildung von intranukleären Aktinfilamenten führen, welche Mechanismen der Polymerisierung und Depolymerisierung dieser Filamente zu Grunde liegen und welche Rolle sie in Stresssituationen innerhalb der Zelle erfüllen. Interessanterweise spielt das aufkommende Konzept der „Liquid-Phase-Separation“ in der Zellbiologie eine entscheidende Rolle in vielen zellulären Stressreaktionsmechanismen. Eine Phasentrennung innerhalb der Zelle, erlaubt extrem sensitiv auf physikalische und chemische intrazelluläre Änderungen zu reagieren und ermöglicht rapide Reorganisierungen von Zellfunktionen. Wir gehen davon aus, dass die Bildung dynamischer Aktin-Cofilin Filamente innerhalb des Nukleus durch den Phasenübergang von Aktinmonomeren in einen kondensierten Zustand ausgelöst wird, welche weiter zu stabilen, flüssigkristallinen Filamenten reifen können und dass dies eine Reaktion auf die Störung des zellulären Gleichgewichts darstellt. Die Bildung von polymeren Strukturen führt zu einer deutlichen Verringerung des freien Aktins im Nukleus, womit die Aktin-Cofilin Filamente eine Pufferfunktion eingehen könnten. Dadurch würde die von monomerem Aktin abhängige Genexpression, welche einen wichtigen und notwendigen Teil der Stressantwort darstellt, entscheident beeinflusst bzw. verändert werden. Wir wollen die dynamischen Phasentrennung Aktin-Cofilin Polymerisierung und Depolymerisierung innerhalb des Nukleus untersuchen, die strukturelle Basis der Filamente innerhalb der Zelle auflösen sowie die Beziehung zu anderen intranukleären phasengetrennten Kompartimenten.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2191: Molekulare Mechanismen funktioneller Phasenseparation