Strukturelle und funktionelle Charakterisierung integraler Membranproteine mit Hochdruck als thermodynamischem Werkzeug
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurde erstmals Hochdruck von 0,1 bis 50 MPa als thermodynamisches Werkzeug für die Modulation der Aktivität von Membranproteinen eingesetzt, die als Umweltsensoren (ToxR) bzw. Transportproteine (LmrA und HorA) fungieren. Ziel der Untersuchungen war es, herauszufinden, inwieweit die Funktionalität von Membranproteinen von deren Struktur selbst abhängt und/oder über Veränderungen in der Lipidumgebung moduliert werden kann. Durch die Verwendung von Hochdruck zur Beeinflussung der Membranstruktur kann ein (störender) Einfluss von Temperatur auf vielfältige zelluläre Prozesse vermieden werden. Untersuchungen wurden sowohl in vitro, in künstlichen Membranen mit eingebauten definierten Proteinen (Proteoliposomen), als auch in vivo, in bakteriellen Reporterstämmen (Escherichia coli, Photobakterium profundum - ein Tiefseebakterium) durchgeführt. Sowohl die Lipidmatrices als auch die Struktur der Membranproteine wurden variiert. In allen verwendeten Systemen war die Funktionalität der untersuchten Proteine (Signaltransduktion bzw. Transport) von deren Dimerisierung abhängig. Es konnte gezeigt werden, dass die Dimerisierung von Membranproteinen sehr sensitiv gegen Umweltveränderungen ist. Während Dimere aus Membranproteinen bereits bei Drücken < 50 MPa zerfallen, sind bei wasserlöslichen, cytoplasmatischen Proteinen hierfür höhere Drücke erforderlich, die in der Umwelt nicht auftreten. Dabei wird die Fähigkeit zur Dimerisierung, und damit die Funktionalität dieser Membranproteine, wesentlich von der Struktur des Proteins, insbesondere des in der Membran liegenden Teils des Proteins, bestimmt. Unter hohen Drücken werden hydrophobe Interaktionen, welche auch für die Dimerisierung verantwortlich sind, geschwächt. Zudem müssen Hydrophobizität und Länge der Transmembrandomänen hierfür zur umgebenden Lipidmatrix passen. Der Phasenzustand (z.B. Gel/flüssig-kristallin) und Phasenübergänge wurden dagegen von Hochdruck < 50 MPa kaum beeinflusst. Zudem wirken die Bakterien in den in vivo Versuchen einer Veränderung der Membranstruktur durch Veränderung der Lipidzusammensetzung entgegen. Bei Drücken bis 200 MPa, die in vitro an Proteoliposomen untersucht wurden, kann dagegen je nach Lipidzusammensetzung nicht nur eine Dissoziation der Dimere, sondern ggf. deren Stabilisierung eintreten, so dass deren Funktionalität erhalten bleibt. Während sowohl in vivo als auch in vitro die Proteinstruktur maßgeblich für die Funktionalität der untersuchten Membranproteine ist, treten die über die Lipidstruktur vermittelten modulierenden Effekte nur in vitro und bei höheren Drücken zutage. Membranproteine, deren Funktionalität von der Bildung von Aggregaten (hier Dimere) abhängt, sind damit sehr sensitive Umweltsensoren, die ihre Aktivität und darüber die Anpassung an veränderte Bedingungen über den Kontakt zueinander regulieren können. Hochdruck ist ein wenig genutztes, aber äußerst leistungsfähiges Werkzeug, mit dem die Interaktion von Membranproteinen untersucht werden kann. Hierbei können nicht nur Einblicke in die Lebensweise von Tiefseeorganismen, die die Energie der Zukunft liefern können, gewonnen werden, sondern auch ein grundsätzliches Verständnis über die Funktion von Membranproteinen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 2006, Functional Reconstituted Multidrug Transporter LmrA in Model and Natural Membrane Lipids and Lipid Bilayer-Protein Interactions - The Effects of Temperature and Pressure. 44th EHPRG International Conference on High pressure Science and Technology, 4.-8.9.2006, Prague, Czech Republic
Periasamy, N., Teichert, H., Vogel, R. F., Winter, R.
- 2006, Potential of high pressure to quantify protein-protein interaction of membrane proteins in vivo. 44th EHPRG International Conference on High pressure Science and Technology, 4.- 8.9.2006, Prague, Czech Republic, P-08-24
Linke, K, Kleemann, R., Ehrmann, M. A., Lindner, E., Langosch, D. Vogel, R. F.
- 2008, High pressure modulated transport and signalling functions of membrane proteins. Conference Proceedings, High Pressure Bioscience and Biotechnology, 14.-17.9.2008, San Diego
Vogel, R. F., Linke, K., Teichert, H., Periasamy, N., Ehrmann, M., Winter, R.
- 2008. High pressure modulated transport and signaling functions of membrane proteins in model systems and in vivo. Book of Abstracts, VAAM, 9.-11.3.2008, Frankfurt, B0086
Vogel, R. F., Teichert, H., Linke, K., Periasamy, N., Winter, R., Ehrmann, M. A.
- 2008. High pressure modulated transport and signalling functions of membrane proteins in models and in vivo. J. Phys.: Conf. Ser. 121 Volume 121 (2008) 112005
Vogel, R. F., Linke, K., Teichert, H., Ehrmann, M. A.
- 2008. High pressure sensitive molecular targets in bacteria. Book of Abstracts, VAAM, 9.-11.3.2008, Frankfurt, FGB 03
Vogel, R. F., Ehrmann, M. A.
