Tropomyosin- vermittelte Regulation der Aktomyosin-abhängigen Kontraktilität von Nichtmuskeln

• Antragsteller: Professor Dr. Dietmar J. Manstein
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 268184046

• Erstellungsjahr: 2018

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Unsere Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass Aktin-Tropomyosin-Kofilamente, die unterschiedliche zytoplasmatische Tropomyosin-Isoformen enthalten, bevorzugte Wechselwirkungen mit verschiedenen Myosinen zeigen. Tropomyosine des Zytoskeletts scheinen somit als Selektivitätsfilter zu wirken, welche die Rekrutierung von Myosin zu bestimmten Aktin-basierten Superkomplexen steuern. Die Strukturanalyse eines Aktin- Myosin-Tropomyosin-Rigor-Komplexes, die im Rahmen unseres Projekts durchgeführt wurde, zeigt, wie Myosin die stereospezifischen Kontakte innerhalb dieses Komplexes definiert und dominiert. Die Kontaktoberflächen zwischen Aktin und Myosin, Myosin und Tropomyosin, sowie Aktin und Tropomyosin umfassen 1.800, 300 bzw. 210 Å2. Alle Kontaktoberflächenflächen schließen wohldefinierte elektrostatische und hydrophobe Wechselwirkungen ein. Basierend auf unseren Ergebnissen ist es nun möglich, Zusammenhängen zwischen bekannten funktionellen Unterschieden mit den Strukturmerkmalen von Myosin- und Tropomyosin-Isoformen in Beziehung zu setzen. Somit lässt sich ein Tropomyosin-abhängiger Mechanismus erklären, der beim Transport von GLUT4-Glukosetransporter-Vesikeln zur Plasmamembran bestimmt, welcher Anteil an kortikalem F-Aktin mit den verschiedenen Myosin-Isoformen in Kontakt treten kann. Hierbei führt die Dekoration von F-Aktin mit Tropomyosin3.1 zu einer deutlich größeren Kolokalisation von Nicht-Muskel-Myosin-2A (NM-2A) und gleichzeitiger Abschwächung der Rekrutierung von Myo1c. Mit Hilfe von optischen Fallen konnten wir zeigen, dass Widerstandskräfte im Bereich von wenigen Pikonewton die Ablösung von NM-2A von Tropomyosin4.2-dekorierten Aktinfilamenten stark verlangsamen. Hierdurch bleibt fast immer einer der beiden NM-2A-Motoren an Tropomyosin4.2-dekorierten Filamenten verankert, wodurch sich NM-2A unter einer äußeren Last prozessiv entlang des Aktinfilaments bewegen kann. Darüber hinaus scheint Tropomyosin4.2 den Kraftschlag von NM-2A-Köpfen, die am selben Filament befestigt sind, zu synchronisieren. Ausgehend von Isoform-spezifischen Veränderungen der Tropomyosin-Isoformen 1.8, 1.12, 3.1 und 4.2 hinsichtlich ihres Einflusses auf Häufigkeit, Dauer und Effizienz von Aktomyosin- Wechselwirkungen schlagen wir ein Modell vor, in dem gut definierte Kombinationen von zytoplasmatischen Myosin, Aktin, und Tropomyosin-Isoformen ein Gerüst von Stressfasern, Transversalbögen und anderen Aktin-basierten Superkomplexen bilden, welche unterschiedliche Bewegungsaktivitäten unterstützen, wie sie für die Organellen- und Vesikeltransport, Bildung von Zelloberflächenextensionen, Adhäsion, Migration und Zytokinese erforderlich sind. Trigger-Ereignisse, wie posttranslationale Modifikationen, Ligandenbindung oder ein Wechsel der Proteinisoform, beeinflussen in diesen allosterisch gekoppelten Systemen nicht nur die Funktion und Stabilität der betroffenen Komponente, sondern des gesamten Superkomplexes. Ansätze zur Entwicklung von Arzneimitteln, welche gezielt die kontraktilen und beweglichen Eigenschaften eines bestimmten Myosins verändern, sind somit nur zielführend wenn sie im korrekten allosterischen Kontext durchgeführt werden. Darüber hinaus ergeben sich aus einem detaillierten Verständnis der Struktur-Funktions-Beziehungen in prototypischen, funktionsdefinierenden Aktin-Myosin-Tropomyosin-Komplexen mit bekannten zellulären Funktionen wichtige Einsichten in Bezug auf den zugrundeliegenden allosterischen Code und spezifische Beiträge zur Mechanotransduktion.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 2016. "Cryo-EM structure of a human cytoplasmic actomyosin complex at nearatomic resolution." Nature 534 (7609): 724-8
  von der Ecken, J., S. M. Heissler, S. Pathan-Chhatbar, D. J. Manstein, and S. Raunser
  
• 2016. "Loaddependent modulation of non-muscle myosin-2A function by tropomyosin 4.2." Scientific Reports 6:20554
  Hundt, N., W. Steffen, S. Pathan-Chhatbar, M. H. Taft, and D. J. Manstein
  
• 2016. "Tropomyosin-Mediated Regulation of Cytoplasmic Myosins." Traffic 17 (8):872-7
  Manstein, D. J & D. P. Mulvihill
  
• 2017. "Mechanistic insights into the active site and allosteric communication pathways in human nonmuscle myosin-2C." eLife 6
  Chinthalapudi, K., S. M. Heissler, M. Preller, J. R. Sellers, and D. J. Manstein
  
• 2018 “Co-polymers of actin and tropomyosin account for a major fraction of the human actin cytoskeleton.” Current Biology
  Meiring J.C.M., N. Bryce, Y. Wang, M.H. Taft, D.J. Manstein, S.L. Lau, J. Stear, E.C. Hardeman, P.W. Gunning
  
• 2018. "Three mammalian tropomyosin isoforms have different regulatory effects on nonmuscle myosin-2B and filamentous beta-actin in vitro." Journal of Biological Chemistry 293 (3): 863-75
  Pathan-Chhatbar, S., M. H. Taft, T. Reindl, N. Hundt, S. L. Latham, and D. J. Manstein.
  
• 2018. "Thrombocytopenia Microcephaly Syndrome - a novel phenotype associated with ACTB mutations."
  Latham, S.L., N. Ehmke, P.Y.A. Reinke, M.H. Taft, M.J. Lyons, M.J. Friez, J.A. Lee, R. Hecker, M.C. Fruehwald, K. Becker, T.M. Neuhann, D. Horn, E. Schrock, K. Sarnow, K. Gruetzmann, L. Gawehn, B. Klink, A. Rump, C. Chaponnier, R. Knoefler, D. J. Manstein, and N. Di Donato