SFB 642:  GTP- und ATP-abhängige Membranprozesse

• Fachliche Zuordnung: Biologie ; Medizin
• Förderung: Förderung von 2004 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5486123

• Erstellungsjahr: 2017

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der SFB 642 hat zu einem detaillierten Verständnis der GTP- und ATP-abhängigen Signaltransduktionen und Transportprozesse an biologischen Membranen auf unterschiedlichen Skalen beigetragen. Es wurden einzelne rekombinante Proteine bis hin zu komplexen Protein-Interaktionsnetzen in lebenden Zellen untersucht. Die komplexe, dynamische Interaktion zwischen den Proteinen an Membranen wurde hier mit höchstmöglicher räumlicher und zeitlicher Auflösung beleuchtet. Die Zusammensetzung der unterschiedlichen Expertisen innerhalb des SFB 642 bot die einmalige Gelegenheit, mit einem detaillierten Verständnis molekularer Reaktionsmechanismen und Wechselwirkungen von Proteinen in vitro zu beginnen, um zu einem umfassenden Verständnis zu gelangen, wie diese Prozesse in die gesamte Aktivität der lebenden Zelle integriert werden. Die Bestimmung der dreidimensionalen Struktur von rekombinanten Proteinen in vitro ist immer ein wichtiger Meilenstein in der Proteinforschung, das letztendliche Ziel ist es allerdings, ein genaueres Verständnis der dynamischen Interaktion von den Proteinen in vivo zu erhalten. Da solch ein breiter Ansatz die Grundvoraussetzung ist, um ein biologisches Thema dieser Komplexität aufzuklären, wurde ein großes Konsortium, wie der SFB benötigt, um dieses Thema umfassend über unterschiedliche Skalen zu betrachten. Röntgenstrukturanalyse, Kernspinresonanzspektroskopie (NMR- Spektroskopie) und (FTIR)-Spektroskopie in Verbindung mit biomolekularen Simulationen waren die entscheidenden experimentellen Ansätze des SFBs 642, um nicht nur Momentaufnahmen, sondern ganzen Filmsequenzen der Proteinmechanismen und Interaktionen zu liefern. Die chemische Biologie liefert Sonden für Fluoreszenzstudien und Medikamentenkandidaten für eine zielgerichtete Therapie. In den meisten Projekten wurden kleine GTPasen der Ras Superfamilie und ihre Effektoren erforscht. Während der 12-jährigen Förderdauer ist es den PIs des SFBs 642 gelungen, die Strukturmodelle von 427 Proteinen, größtenteils von kleinen G-Proteinen und ihren Interaktionspartnern, zu lösen und in der PDB-Datenbank zu hinterlegen. Darüber hinaus haben die Projekte zu einem besseren Verständnis der Membraninsertion von kleinen G-Proteinen sowie deren Verankerung in und Extraktion aus der Membran, insbesondere durch PDEδ, beigetragen. Zusätzlich wurden die Gα-Untereinheiten von heterotrimeren G-Proteinen untersucht, die dasselbe G-Domänen-Motiv wie Proteine der Ras Superfamilie aufweisen. Neben GTPasen wurden ebenfalls die Strukturen und Funktionen von membrangebundenen ATPasen, besonders von peroxisomalen Proteinen, sehr ausführlich untersucht. Mutationen der im SFB 642 untersuchten Proteine können schwere Krankheiten verursachen. Die Erkenntnisse aus den im SFB 642 bearbeiteten Fragenstellungen tragen zu einem besseren Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse bei und öffnen damit den Weg zu einer verbesserten medizinischen Behandlung.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2005) Structural and mechanistic insights into the interaction between Rho and mammalian Dia. Nature 435, 513- 518
  Rose R., Weyand M., Lammers M., Ishizaki T., Ahmadian M.R. and Wittinghofer A.
  
• (2005). Functional role of the AAA peroxins in dislocation of the cycling PTS1 receptor back to the cytosol. Nat Cell Biol 7 (8), 817- 22
  Platta H.W., Grunau S., Rosenkranz K., Girzalsky W., Erdmann R.
  
• (2007) Structural insight into filament formation by mammalian septins. Nature 449, 311-315
  Sirajuddin M., Farkasovsky M., Hauer F., Kühlmann D., Macara I. G., Weyand M., Stark H. and Wittinghofer A.
  
• (2008) The crystal structure of the Ran-Nup153 complex: A General Ran docking site at the nuclear pore complex. Structure 16, 1116-1125
  Schrader N., Koerner C., Koessmeier K., Bangert J., Wittinghofer A., Stoll R. and Vetter I.R.
  
• (2008) The GAP arginine finger movement into the catalytic site of Ras increases the activation entropy. Proc. Natl. Acad. Sci., 105, No. 17, 6260-6265
  Kötting C., Kallenbach A., Suveyzdis Y., Wittinghofer A., Gerwert K.
  
• (2009) Analysis of the eukaryotic prenylome by isoprenoid affinity tagging. Nature chemical biology 5, 227-235
  Nguyen U.T., Guo Z., Delon C., Wu Y., Deraeve C., Franzel B., Bon R.S., Blankenfeldt W., Goody R.S., Waldmann H., Wolters D. and Alexandrov K.
  
• (2010) The Palmitoylation Machinery is a Spatially Organizing System for Peripheral Membrane Proteins. Cell, 141, 458-471
  Rocks O., Gerauer M., Vartak N., Koch S., Huang Z.P., Pechlivanis M., Kuhlmann J., Brunsveld L., Chandra A., Ellinger B., Waldmann H., Bastiaens P. I. H.
  
• (2010) The structure of an Arf-ArfGAP complex reveals a Ca2+-regulatory mechanism. Cell 141, 812-821
  Ismail S.A., Vetter I.R., Sot B. and Wittinghofer A.
  
• (2011) Arl2-GTP and Arl3-GTP regulate a GDI-like transport system for farnesyl-ated cargo. Nat Chem Biol. 2011 Oct 16;7(12):942-9
  Ismail S.A., Chen Y.X., Rusinova A., Chandra A., Bierbaum M., Gremer L., Triola G., Waldmann H., Bas-tiaens P.I., Wittinghofer A.
  
• (2012) A trapping approach reveals novel substrates and physiological functions of the essential protease FtsH in Escherichia coli. J. Biol. Chem. 287:42962-42971
  Westphal K., Langklotz S., Thomanek N., Narberhaus F.
  
• (2012) Catalytic Mechanism of a Mammalian Rab•RabGAP Complex in Atomic Detail. Proc. Natl. Acad. Sci., 109 (52), 21348-21353
  Gavriljuk K., Gazdag E. M., Itzen A., Kötting C., Goody R. S., Gerwert K.
  
• (2012) Evolution from the prokaryotic to the higher plant chloroplast signal recognition particle: the signal recognition particle RNA is conserved in plastids of a wide range of photosynthetic organisms. Plant Cell 24:4819-4836
  Träger C., Rosenblad M., Ziehe D., Garcia-Petit C., Schrader L., Kock K., Richter C., Klinkert B., Nar-berhaus F., Herrmann C., Hofmann E., Aronsson H. and Schünemann D.
  
• (2012) Time-Resolved Fourier Transform Infrared Spectroscopy of the Nucleotide-Binding Domain from the ATP-Binding Cassette Transporter MsbA ATP Hydrolysis Is the Rate-Limiting Step in the Catalytic Cycle. Journal of Biological Chemistry 287 (28): 23923–31
  Syberg, F., Suveyzdis Y., Kötting C., Gerwert K. and Hofmann E.
  
• (2013) Bisphenol A binds to Ras proteins and competes with guanine nucleotide exchange: implications for GTPase-selective antagonists. J Med Chem. 2013 Dec 12;56(23):9664-72
  Schöpel M., Jockers K.F., Düppe P.M., Autzen J., Potheraveedu V.N., Ince S., Yip K.T., Heumann R., Herrmann C., Scherkenbeck J., Stoll R.
  
• (2013) Small molecule inhibition of the Kras-PDEδ interaction impairs oncogenic KRAS signalling. Nature 497, 638-642
  Zimmermann G., Papke B., Ismail S., Vartak N., Chandra A., Hoffmann M., Hahn S. A., Triola G., Wittinghofer A., Bastiaens P. I. H., Waldmann H.
  
• (2014) The interdependence of membrane-shape and signal processing in cells. Cell. 2014 Mar 13;156(6):1132-1138
  Schmick M., Bastiaens P.I.H.
  
• (2015) Catalysis of GTP Hydrolysis by Small GTPases at Atomic Detail by Integration of X-ray Crystallography, Experimental, and Theoretical IR Spectroscopy. JBC 290, 24079-24090
  Rudack T., Jenrich S., Brucker S., Vetter I.R., Gerwert K. and Kötting C.
  
• (2015) Locking GTPases covalently in their functional states. Nat. Comm. 6: 7773
  Wiegandt D., Vieweg S., Hofmann F., Koch D., Li F., Wu Y., Itzen A., Müller M.P., Goody R.S.
  
• (2015) Molecular snapshots of the Pex1/6 AAA+ complex in action. Nat Commun 6, 7331
  Ciniawsky S., Grimm I., Saffian D., Girzalsky W., Erdmann R., Wendler P.
  
• (2016) Functional Charac-terization of the Odorant Receptor 51E2 in Human Melanocytes. J Biol Chem. 2016 Aug 19;291(34):17772-86
  Gelis L., Jovancevic N., Veitinger S., Mandal B., Arndt H.D., Neuhaus E.M., Hatt H.
  
• (2016) Mechanism of the intrinsic arginine finger in heterotrimeric G proteins. PNAS, 50 (113), E8041-E8050
  Mann D., Teuber C., Tennigkeit S.A., Schröter G., Gerwert K., Kötting C.
  
• (2016) Regulation of oligodendrocyte precursor maintenance by chondroitin sulphate glycosaminoglycans. GLIA 64, 270-286
  Karus M., Czopka T., Ulc A., Ehrlich M., Hennen E., Mizhorova M., Qamar N., Brüstle O. and Faissner A.