Kohärente Raman Mikroskopie zur Analyse der Proteinstruktur in Zellen unter mechanischem Stress

• Antragsteller: Professor Dr. Sapun Parekh
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 255099641

Zellen werden letztendlich durch Proteine reguliert, wobei die Struktur der Proteine für deren Funktion ausschlaggebend ist. Es ist offenkundig, dass Punktmutationen oder die Änderung der biochemischen Umgebung ausreichen um die Proteinstruktur zu stören, was zu Dysfunktionen und der Entstehung von Krankheiten führt. In den letzten Jahren konnte gezeigt werden, dass auch mechanische Kräfte die Struktur von Proteinen beeinflussen. Die Möglichkeit Piko-Newton Kräfte auf ein einzelnes Molekül in vitro auszuüben hat neue Theorien zur konformativen Stabilität und zur Entfaltungskinetik von mechanosensitiven Proteinen, sowohl im Gleichgewicht als auch unter Zugbelastung, hervorgebracht und bestätigt. Obwohl in vitro Mechanobiologie und Strukturbiologie mittlerweile etablierte Forschungsgebiete sind, existieren kaum Informationen über die Struktur von mechanosensitiven Proteinen in vivo. Einzelmolekülexperimente reflektieren die intrazellulärer Umgebung nur unzureichend, und es stellt sich die Frage ob mechanische Zugkräfte den gleichen Effekt auf die Proteinstabilität in vivo haben, wie in den in vitro Studien beobachtet. Die Quantifizierung von Konformationsänderungen der Sekundär-, Tertiär- als auch Quaternärstruktur von Proteinen innerhalb von Zellen würde Informationen über den biophysikalischen Zusammenhang zwischen mechanischen Zugkräften, Proteinstruktur und funktion und Zellfunktion liefern. Beispielsweise würde die Bestimmung der Sekundärstruktur unter mechanischer Belastung es erlauben Strukturübergänge (z.B. alpha-Helix zu beta-Faltblattstruktur) zu verfolgen. Derartige Strukturänderungen sind mit Einzelmolekülexperimenten nicht detektierbar, sie sind aber in vivo von hoher Relevanz, da sich dort die Umgebungseinflüsse stark von reinen Lösungen unterscheiden. Dieser Antrag zielt auf die ortsaufgelöste Bestimmung der Sekundärstruktur von mechanosensitiven Proteinen in den Intermediärfilamenten unter Zugbelastung mit Hilfe eines nichtlinearen spektroskopischen Bildgebungsverfahrens. Intermediärfilamente sind Teil des lasttragenden Zytoskeletons und besitzen eine definierte Struktur. Aktuelle Studien sagen eine Änderung dieser Struktur unter mechanischer Belastung voraus, jedoch wurden derartige Änderungen weder in vitro noch in vivo experimentell beobachtet. Diese Studie wird einen einzigartigen Einblick in die in vivo Struktur von Proteinen unter mechanischer Belastung aufzeigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen