Mechanismen-basiertes Umdesign von Light-Oxygen-Voltage (LOV) Rezeptoren

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Möglich
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420423318

Sensorische Photorezeptoren vermitteln zahlreiche adapative Anpassungen an Licht in vielen Organismen. Gleichzeitig dienen Photorezeptoren als genetisch kodierbare Schalter in der Optogenetik und ermöglichen auf diese Weise die genaue und reversible licht-abhängige Kontrolle verschiedenster zellulärer Parameter und Prozesse. Light-Oxygen-Voltage (LOV) Rezeptoren bilden eine Photorezeptorklasse, die Flavinnucleotide als Chromophore binden, um Blaulicht wahrzunehmen. Die Absorption von Photonen löst einen reversiblen Photozyklus aus, in dessen Rahmen eine kovalente Bindung zwischen dem Flavin-Ringgerüst und einem benachbarten Cystein ausgebildet wird. Die Bildung dieses Addukts entspricht formell einer chemischen Reduktion des Flavins und geht einher mit der Protonierung seines N5 Atoms, welche einen zentralen Schritt darstellt, der sowohl notwendig als auch hinreichend für das Auslösen nachgelagerter Signale ist. In dem vorliegenden Projekt verfolgen wir die mechanistische Charakterisierung von LOV-Rezeptoren, die es nicht vermögen ein stabiles Cysteinaddukt auszubilden, die jedoch effizient Lichtstimuli in diverse Antworten umsetzen können. Wir werden ergründen, wie das Reduktionspotential des Flavinchromophores gezielt verändert werden kann und wie sich dies auf die photochemischen Antworten auswirkt. Fluoreszente LOV-Domänen mit gestaffelter Redoxempfindlichkeit dienen als Reporter, um zu untersuchen, welchen Redoxstatus LOV-Proteine innerhalb von Zellen annehmen. Die Fluoreszenz von LOV-Domänen wird gängigerweise durch Entfernung des Cysteinrests im aktiven Zentrum erzielt, was aber gleichzeitig auch eine erhöhte Neigung zur Generierung reaktiver Sauerstoffspezies mit sich bringt. Unsere Anstrengungen zielen daher darauf ab, LOV-Varianten zu erzeugen, die hohe Fluoreszenz bei minimalen Nebenreaktionen aufweisen. Ein letzter Projektast baut auf unserer kürzlichen Entdeckung auf, daß LOV-Rezeptoren ein neuartiges irreversibles Photoaddukt bilden können, welches nachgelagerte Signaltransduktion auslöst. Wir werden untersuchen, ob dieses unkonventionelle Addukt gezielt in LOV-Rezeptoren eingebracht werden kann und wie man es sich für Anwendungen in der Optogenetik zunutze machen kann. LOV-Rezeptoren, die dieses irreversible Addukt ausbilden, kommen in der Natur vor und bilden eine bislang unbekannte, seltene Photorezeptor Untergruppe. Diese Photorezeptoren, sowohl natürlichen als auch künstlichen Ursprungs, stellen attraktive Werkzeuge für biotechnologische Anwendungen und mächtige Modellsysteme für mechanistische Untersuchungen dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen