Mechanismus der Arrestin Aktivierung und GPCR Bindung

• Antragsteller: Dr. Martin Heck, seit 8/2021
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 156861807

Arrestin-Proteine regulieren die Funktion von G Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCR), die die größte und pharmakologisch wichtigste Klasse von Rezeptoren in der Zellmembran darstellen. Vier strukturell konservierte Arrestine binden hunderte verschiedene GPCR und beeinflussen so eine Vielzahl von physiologischen Prozessen. Auf molekularer Ebene ist es nach wie vor nicht geklärt, wie die Wechselwirkung von Arrestin mit Rezeptoren die Signalweiterleitung in das Zellinnere und die zelluläre Antwort beeinflusst. Unsere bisherigen Arbeiten am Arrestin der Stäbchenzelle und dem Photorezeptor Rhodopsin zeigen, dass beim Bindungsprozess verschiedene Schlüsselbereiche beider Proteine schrittweise miteinander bzw. mit der Membran interagieren. Der erste Kontakt des Rezeptors induziert dabei eine partielle Aktivierung von Arrestin, die zunächst die Ausbildung eines "Pre-Komplexes" ermöglicht, der wiederum dann in einem zweiten Schritt zur vollständigen Aktivierung von Arrestin und zur Ausbildung der hoch-affinen Bindung an den Rezeptor führt. In dem beantragten Projekt wollen wir die molekularen Mechanismen dieser mehrstufigen Komplexbildung weiter charakterisieren, wobei sowohl die Rolle der einzelnen Schlüsselbereiche beider Proteine als auch die zeitliche Abfolge der Interaktionen untersucht werden soll. Ein weiteres Ziel ist es, den im physiologischen Kontext überaus wichtigen Einfluss des Aktivierungszustandes des Rezeptors (kontrolliert durch die Natur des Liganden) und der Rezeptorphosphorylierung (Anzahl und Position der Phosphatreste) auf die Arrestinbindung zu verstehen. Eingesetzt werden neben nativem Rhodopsin insbesondere durch ortsspezifische Mutagenese gezielt modifizierte Proteine sowie synthetische Peptide aus den Schlüsselbereichen von Arrestin und Rezeptor. Schwerpunkt der Untersuchungen bilden isolierten Proteine des bereits etablierten visuellen Systems (Arrestin-1 und Rhodopsin); im Laufe des Projektes sollen die Arbeiten aber auch auf Arrestin-2/3 und andere GPCR ausgedehnt werden. Die Untersuchungen erfolgen mit verschiedenen biochemischen und biophysikalischen Methoden wie z.B. UV/Vis- und FTIR-Spektroskopie, wobei Fluoreszenz-spektroskopische Methoden im Vordergrund stehen. Die unterschiedlichen Bindungsmodi sowie die Rolle konformationeller Flexibilität bei der Komplexbildung sollen zudem mit Hilfe von computerbasierter Strukturmodellierung und Molekulardynamik-Simulationen untersucht werden. Langfristiges Ziel ist es, das Zusammenspiel von Ligand, Rezeptor, Membran und Arrestin in einem übergeordneten Modell integrieren zu können und so zu den derzeit intensiv diskutierte Fragen beitragen zu können: Wie können minimale Änderungen in Proteinstrukturen Signalwege und damit die physiologische Antwort der Zellen steuern, und welche Möglichkeiten gibt es, diese Signalwege pharmakologisch zu beeinflussen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Fluorescence Spectrometer
• Gerätegruppe: 1850 Spektralfluorometer, Lumineszenz-Spektrometer (außer Filterfluorometer
• Ehemalige Antragstellerin: Dr. Martha E. Sommer, bis 8/2021