Biologie und Mechanismus einer ursprünglichen Opsin-Funktion

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Göpfert
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 539452282

Das visuelle Opsin NINAE kommt in Drosophila Photo- und Mechanorezeptorzellen vor. In Photorezeptoren bindet es einen lichtempfindlichen Chromophor und initiiert die visuelle Transduktion, während es in Mechanorezeptoren Chromophor-los ist. In Drosophila-Mutanten, denen NINAE fehlt, degenerieren beide Zelltypen. Photorezeptor-Degeneration scheint durch die Toxizität des 3-Hydroxy-Retinal Chromophors verursacht, aber die Mechanorezeptor-Degeneration ist unerwartet und impliziert, dass Opsin eine kritische, Chromophor-unabhängige Funktion in diesen Zellen besitzt. Präzedenz für eine solche Funktion liefert Rinder-Opsin, welches, wenn es in Vesikel rekonstuiert wird, als Phospholipid- Scramblase fungiert, die Membran-Phosopholipide bidirektional zwischen den beiden Membranschichten transportiert, unabhängig von Retinal. Der dieser Funktion zugrundeliegende Mechanismus wurde mittels Molkulardynamik (MD)-Simulationen vorhergesagt, ist aber experimentell nicht geprüft. Auch die biologische Relevanz der Scrambling-Aktivität von Rinder-Opsin is unbekannt, da seine Untersuchung genetische Manipulationen in den Tieren erfordern würde. In Pilotstudien haben wir entdeckt, dass NINAE die Phosopholipid-Scramblase-Aktivität mit Rinder-Opsin teilt. Wir schlagen entsprechend vor, das Fliegenprotein zu nutzen, um den Scramblase-Mechanismus von Opsinen und deren Einfluss auf Zellfunktion zu untersuchen. Erstens werden wir Wild-typ NINAE Protein aus dem Komplexauge der Fliege extrahieren und in Liposomen rekonstituieren um (i) seine Scramblase-Aktivität systematisch mittels Fluoreszenz- und Radioaktivitäts-basierter Methoden zu charakterisieren. Zweitens werden wir Residuen, die MD-Simulationen zufolge für den Phosophilipid-Transport wichtig sind, in der Fliege zu mutagenisieren um entsprechende Effekte auf (ii) die Scrambling-Aktivität nach Rekonstitution in Liposomen und (iii) die Struktur und Funktion von NINAE-exprimierenden Photo- und Mechanorezeptoren mittels Elektrophysiologie, Immunhistologie und Elektronenmikroskopie zu analysieren. Residuen von Rinder-Opsin, die in den Phosopholipid-Transport impliziert wurden, sind überwiegend in NINAE konserviert, was auf einen gemeinsamen Transportmechanismus hinweist und einen gezielten Mutagene-Ansatz möglich macht. Zusätzlich zur Etablierung einer Opsin-Funktion, die für Drosophila neu ist, verspricht das Projekt ein molekulares Verständnis davon, wie Opsine Phospholipide transportieren, wie sich dieser Transport auf Opsin-exprimierende Zellen auswirkt, und warum die Zellen ohne Opsin degenerieren. Die Untersuchung dieser Fragen ist für ein grundlegendes Verständnis von Opsinen wichtig, da der Phospholipid-Transport die ursprüngliche Funktion dieser Lichtsensor-Proteine sein könnte.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Partnerorganisation: National Science Foundation (NSF)
• Kooperationspartner: Professor Anant Menon, Ph.D.