SFB 807:  Transport und Kommunikation durch biologische Membranen

• Fachliche Zuordnung: Biologie ; Chemie
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 57566863

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des SFB 807 war die Aufklärung von Struktur, Funktion und Mechanismus von Membranproteinen, die an Transportprozessen über die Zellmembran beteiligt sind. Im Fokus der Forschung stand die komplette Bandbreite von funktionellen Transporter- oder Rezeptor-Einheiten bis hin zu großen, dynamischen Multiproteinkomplexen in subzellulären Membrankompartimenten. Zu den im SFB angewandten und entwickelten Methoden gehören Röntgenkristallographie, kryogene Elektronenmikroskopie, Festkörper- und Lösungs-NMR, gepulste EPR, zeitaufgelöste Spektroskopie, Einzelmolekültechniken, hochauflösende Lichtmikroskopie, native Massenspektrometrie, computergestützte Biophysik sowie optogenetische und elektrophysiologische Ansätze. Der SFB 807 basierte auf einer ausgewogenen Kombination an aktuellen Themen und Fragestellungen sowie neuen, richtungsweisenden Ansätzen bei der Erforschung von Membranproteinen. Fünf Unterthemen wurden dabei behandelt: (i) sekundär-aktive Transporter, (ii) ATP-Binding Cassette (ABC) Transporter, (iii) 7TM-Rezeptoren und Netzhautproteine, (iv) ATP-Synthasen und (v) große Membranproteinkomplexe. Im Laufe der 12-jährigen Förderperiode ist der SFB 807 in immer anspruchsvollere Themen hineingewachsen und hat durch die Anwendung modernster Methoden eine stetig wachsende Zunahme an Komplexität gemeistert. Letztendlich lieferte unser SFB fundamentales Wissen über ein breites Spektrum von Membranproteinen, das in viel beachteten und zitierten Publikationen belegt wird. Im Verlauf der letzten 12 Jahre war der SFB Teil eines Wandels in der Membranproteinforschung. Die anfangs nur spärlich gefüllte Datenbank der Membranproteinstrukturen wurde um mehr als 1.000 Einträge mit Beiträgen aus Frankfurt erweitert. Der SFB 807 kombinierte strukturgenomische Ansätze, bei dem sequenzbezogene Zielproteine ausgewählt werden, mit physiologischen und funktionellen Analysen. Unabhängig davon erkannten Mitglieder des SFBs bereits frühzeitig auf die Kraft integrativer Ansätze zur Untersuchung bedeutender zellulärer Maschinerien und kombinierten die jeweils passenden Techniken, um zentrale biologische Fragen zu beantworten oder wichtige Hypothesen zu überprüfen. So entstand im Rahmen des SFB 807 ein beispielloses Spektrum an neuen Themen und Techniken, auf deren Grundlage Frankfurts Spitzenposition in der Membranproteinforschung weiter ausgebaut werden konnte. Wichtige Beiträge des SFB 807 zur Forschung an Membranproteinen lagen in der Aufklärung mechanistischer Grundlagen des Transports und der Regulation durch Transporter am Beispiel von BetP und anderen sekundär aktiven Transportern. Die langjährige Erfolgsgeschichte hinsichtlich der Auflösung makromolekularer Komplexe der Atmungsketten wurde fortgesetzt, indem der Schwerpunkt auf die Entschlüsselung der strukturellen, supramolekularen Organisation von rotierenden ATPasen gelegt wurde. Der SFB 807 katalysierte die erste Struktur eines Membrantransportkomplexes, der mittels Kryo-Elektronenmikroskopie gelöst wurde. Diesem Durchbruch folgten eine Reihe hochauflösender struktureller Momentaufnahmen der in die Membran eingebetteten molekularen Maschinen unter Turnover-Bedingungen. Darüber hinaus war der SFB 807 führend in der Entwicklung optogenetischer Werkzeuge auf der Basis von Channelrhodopsin und anderen Netzhautproteinen, die zur Kontrolle und Überwachung der Aktivität neuronaler Netzwerke im lebenden Tier eingesetzt werden können. Ein weiterer wichtiger Durchbruch war die Aufklärung transienter MHC I Chaperon- und Peptid-Beladungskomplexe, die für die Immunantwort gegen Infektionskrankheiten und Tumorentwicklung von entscheidender Bedeutung sind. Diese herausragenden Beiträge, die weltweite Aufmerksamkeit erregten, fanden bereits Eingang in die Lehrbücher und lancierten Titelseiten- und Views & News-Artikel in renommierten Journalen wie Nature, Science usw.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2009) An ER-resident membrane protein complex regulates nicotinic acetylcholine receptor subunit composition at the synapse. EMBO J 28, 2636-49
  Almedom RB, Liewald JF, Hernando G, Schultheis C, Rayes D, Pan J, Schedletzky T, Hutter H, Bouzat C, Gottschalk A
  
• (2009) Channelrhodopsin-2 is a leaky proton pump. Proc Natl Acad Sci USA 106, 12317-22
  Feldbauer K, Zimmermann D, Pintschovius V, Spitz J, Bamann C, Bamberg E
  
• (2009) High-resolution structure of the rotor ring of a proton-dependent ATP synthase. Nat Struct Mol Biol 16, 1068-73
  Pogoryelov D, Yildiz Ö, Faraldo-Gómez JD, Meier T
  
• (2009) Molecular basis of transport and regulation in the Na+/betaine symporter BetP. Nature 458, 47-52
  Ressl S, Terwisscha van Scheltinga AC, Vonrhein C, Ott V, Ziegler C
  
• (2009) Pulsed Electron-Electron Double-Resonance Determination of Spin-Label Distances and Orientations on the Tetrameric Potassium Ion Channel KcsA. J Am Chem Soc 131, 15246-50
  Endeward B, Butterwick JA, MacKinnon R, Prisner TF
  
• (2009) Structural arrangement of the transmission interface in the antigen ABC transport complex TAP. Proc Natl Acad Sci USA 106, 5551-6
  Oancea G, O'Mara ML, Bennett WF, Tieleman DP, Abele R, Tampé R
  
• (2010) Structural basis of Na+-independent and cooperative substrate/product antiport in CaiT. Nature 467, 233-36
  Schulze S, Koster S, Geldmacher U, Terwisscha van Scheltinga AC, Kühlbrandt W
  
• (2011) Angew Chem Int Ed Engl 50, 11942-6
  Reckel S, Gottstein D, Stehle J, Löhr F, Verhoefen MK, Takeda M, Silvers R, Kainosho M, Glaubitz C, Wachtveitl J, Bernhard F, Schwalbe H, Güntert P, Dötsch V
  
• (2011) Chloroplast Omp85 proteins change orientation during evolution. Proc Natl Acad Sci USA 108, 13841-6
  Sommer MS, Daum B, Gross LE, Weis BL, Mirus O, Abram L, Maier UG, Kühlbrandt W, Schleiff E
  
• (2011) Conformation of peptides bound to the transporter associated with antigen processing (TAP). Proc Natl Acad Sci USA 108, 1349-54
  Herget M, Baldauf C, Schölz C, Parcej D, Wiesmüller KH, Tampé R, Abele R, Bordignon E
  
• (2011) Ultra lightsensitve and fast neuronal activation with the Ca2+-permeable channelrhodopsin CatCh. Nat Neurosci 14, 513-8
  Kleinlogel S, Feldbauer K, Dempski RE, Fotis H, Wood PG, Bamann C, Bamberg E
  
• (2012) Alternating-access mechanism observed in conformationally asymmetric trimers of the betaine transporter BetP. Nature 490, 126-30
  Perez C, Koshy C, Yildiz O, Ziegler C
  
• (2012) Investigation of the sodium-binding sites in the sodium-coupled betaine transporter BetP. Proc Natl Acad Sci USA 109, E3035-44
  Khafizov K, Perez C, Koshy Cm, Quick M, Fendler K, Ziegler C, Forrest LR
  
• (2012) Promiscuous archaeal ATP synthase concurrently coupled to Na+ and H+ translocation. Proc Natl Acad Sci USA 109, 947-52
  Schlegel K, Leone V, Faraldo-Gomez JD, Müller V
  
• (2012) Stochastic sensing of proteins with receptor-modified solid-state nanopores. Nat Nanotech 7, 257-63
  Wei RS, Gatterdam V, Wieneke R, Tampé R, Rant U
  
• (2012) Structural study on the architecture of the bacterial ATP synthase Fo motor. Proc Natl Acad Sci USA 109, E2050-6
  Hakulinen JK, Klyszejiko AL Hoffmann J, Eckhardt-Strelau L, Brutschy B, Vonck J, Meier T
  
• (2012) Transport of drugs by the multidrug transporter AcrB involves an access and a deep binding pocket that are separated by a switch-loop. Proc Natl Acad Sci USA 109, 5687-9
  Eicher T, Cha H, Seeger MA, Brandstätter L, El-Delik J, Bohnert JA, Kern WV, Verrey F, Grütter MG, Diederichs K, Pos KM
  
• (2013) Structural evidence for functional lipid interactions in the betaine transporter BetP. EMBO J 32, 3096-105
  Koshy C, Schweikhard ES, Gärtner RM, Perez C, Yildiz O, Ziegler C
  
• (2013) The cring stoichiometry of ATP synthase is adapted to cell physiological requirements of alkaliphilic Bacillus pseudofirmus OF4. Proc Natl Acad Sci USA 110, 7875-9
  Preiss L, Klyszejko AL, Hicks DB, Liu J, Fackelmayer OJ, Yildiz O, Krulwich TA, Meier T
  
• (2013) Ultrafast infrared spectroscopy on channelrhodopsin-2 reveals efficient energy transfer from the retinal chromophore to the protein. J Am Chem Soc 135, 6968-76
  Neumann-Verhoefen MK, Neumann K, Bamann C, Radu I, Heberle J, Bamberg E, Wachtveitl J
  
• (2014) Coupling of remote alternating-access transport mechanisms for protons and substrates in the multidrug efflux pump AcrB. eLife 3, e03145
  Eicher T, Seeger MA, Anselmi C, Zhou WC, Brandstätter L, Verrey F, Diederichs K, Faraldo-Gomez JD, Pos KM
  
• (2014) Structural basis of the green-blue color switching in proteorhodopsin as determined by NMR spectroscopy. J Am Chem Soc 136, 17578-90
  Mao JF, Do NN, Scholz F, Reggie L, Mehler M, Lakatos A, Ong YS, Ullrich SJ, Brown LJ, Brown RCD, Becker-Baldus J, Wachtveitl J, Glaubitz C
  
• (2015) Enlightening the photoactive site of channelrhodopsin-2 by DNP-enhanced solid-state NMR spectroscopy. Proc Natl Acad Sci USA 112, 9898-901
  Becker-Baldus J, Bamann C, Saxena K, Gustmann H, Brown LJ, Brown RCD, Reiter C, Bamberg E, Wachtveitl J, Schwalbe H, Glaubitz C
  
• (2015) Single liposome analysis of peptide translocation by the ABC transporter TAPL. Proc Natl Acad Sci USA 112, 2046-51
  Zollmann T, Moiset G, Tumulka F, Tampé R, Poolman B, Abele R
  
• (2015) Subnanometre-resolution electron cryo-microscopy structure of a heterodimeric ABC exporter. Nature 517, 396-400
  Kim JM, Wu, S, Tomasiak T, Mergel C, Winter MN, Stiller S, Robles-Colmanares Y, Stroud RM, Tampé R, Craik CS, Cheng Y
  
• (2016) A eukaryotic sensor for membrane lipid saturation. Mol Cell 63, 49-5
  Covino R, Ballweg S, Stordeur C, Michaelis JB, Puth K, Wernig F, Bahrami A, Ernst AM, Hummer G, Ernst R
  
• (2016) Molecular basis for inhibition of AcrB multidrug efflux pump by novel and powerful pyranopyridine derivatives. Proc Natl Acad Sci USA 113, 3509-14
  Sjuts H, Vargiu AV, Kwasny SM, Nguyen ST, Kim H-S, Ding X, Ornik AR, Ruggerone P, Bowlin T, Nikaido H, Pos KM, Opperman TJ
  
• (2017) Activation of the unfolded protein response by lipid bilayer stress. Mol Cell 67, 673-84
  Halbleib K, Pesek K, Covino R, Hofbauer HF, Wunnicke D, Hänelt I, Hummer G, Ernst R
  
• (2017) Analyzing native membrane protein assembly in nanodiscs by combined non-covalent mass spectrometry and synthetic biology. eLife 6, e20954
  Henrich E, Peetz O, Hein C, Laguerre A, Hoffmann B, Hoffmann J, Dötsch V, Bernhard, F, Morgner N
  
• (2017) Crystal structure and mechanistic basis of a functional homolog of the antigen transporter TAP. Proc Natl Acad Sci USA 114, E438-47
  Nöll A, Thomas C, Herbring V, Zollmann T, Barth K, Mehdipour AR, Tomasiak TM, Brüchert S, Joseph B, Abele R, Oliéric V, Wang M, Diederichs K, Hummer G, Stroud RM, Pos KM, Tampé R
  
• (2017) Helical jackknives control the gates of the double-pore K+ uptake system KtrAB. eLife 6, e24303
  Diskowski M, Mehdipour AR, Wunnicke D, Mills D, Mikusevic V, Bärland N, Hoffmann J, Morgner N, Steinhoff HJ, Hummer G, Vonck J, Hänelt I
  
• (2017) Structural insights into ion conduction by channelrhodopsin 2. Science 358, eaan8862
  Volkov O, Kovalev K, Polovinkin V, Borshchevskiy V, Bamann C, Astashkin R, Marin E, Popov A, Balandin T, Willbold D, Büldt G, Bamberg E, Gordeliy V
  
• (2017) Structure of the human MHC I peptide-loading complex. Nature 551, 525-8
  Blees A, Januliene D, Hofmann T, Koller N, Schmidt C, Trowitzsch S, Moeller A, Tampé R
  
• (2017) Structure of the TAPBPR-MHC I complex defines the mechanism of peptide loading and editing. Science 358, 1060-4
  Thomas C, Tampé R
  
• (2018) Conformational coupling and trans-inhibition in the human antigen transporter ortholog TmrAB resolved with dipolar EPR spectroscopy. J Am Chem Soc 140, 4527-33
  Barth K, Hank S, Spindler PE, Prisner TF, Tampè R, Joseph B
  
• (2018) Functionally asymmetric motor neurons contribute to coordinating locomotion of Caenorhabditis elegans. eLife 7, e34997
  Tolstenkov O, van der Auwera P, Costa WS, Bashanova O, Gemeinhardt TM, Bergs ACF, Gottschalk A
  
• (2018) Structure, mechanism, and regulation of the chloroplast ATP synthase. Science 360, eaat4318
  Hahn A, Vonck J, Mills DJ, Meier T, Kühlbrandt W
  
• (2019) Conformation space of a heterodimeric ABC exporter under turnover conditions. Nature 571, 580-3
  Hofmann S, Januliene D, Mehdipour AR, Thomas C, Stefan E, Brüchert S, Kuhn BT, Geertsma ER, Hummer G, Tampé R , Moeller A
  
• (2019) Photocycle-dependent conformational changes in the proteorhodopsin cross-protomer Asp-His-Trp triad revealed by DNP-enhanced MAS-NMR. Proc Natl Acad Sci USA 116, 8342-9
  Maciejko J, Kaur J, Becker-Baldus J, Glaubitz C
  
• (2019) Rotary substates of mitochondrial ATP synthase reveal the basis of flexible F1-Fo coupling. Science 364, eaaw9128
  Murphy BJ, Klusch N, Langer J, Mills DJ, Yildiz O, Kühlbrandt W