Polymer-basierte Nanodisks zur Untersuchung der Struktur und Dynamik von G-protein-gekoppelten Rezeptoren und anderen klinisch relevanten Membranproteinen

• Antragstellerin: Dr. Jana Bröcker
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269790842

Um unter in vitro Bedingungen im wässrigen Milieu in Lösung zu bleiben, benötigen Membranproteine eine membranähnliche Umgebung. Zumeist werden daher sowohl beim Herauslösen dieser Proteine aus biologischen Membranen als auch bei den nachfolgenden biochemischen, biophysikalischen, und strukturellen Untersuchungen Detergenzien eingesetzt. Leider sind viele pharmakologisch relevante, aber notorisch labile Membranproteine wie zum Beispiel G Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) in Detergensmizellen weder stabil noch aktiv. Dies behindert die Bestimmung physiologisch relevanter hoch aufgelöster Strukturen und schränkt unser Verständnis über den Wirkungsmechanismen dieser Proteine stark ein. Kürzlich wurde gezeigt, dass ein aus Styrol und Maleinsäureanhydrid synthetisiertes Copolymer in der Lage ist, Membranproteine ganz ohne Detergenz zu lösen und dabei Nanometer große Membranscheiben zu formen, bei denen sich das Polymer um das Protein und seine umgebenden Lipide wickelt. In diesem Antrag verwenden wir diese Polymertechnologie dafür, unveränderte GPCRs und andere pharmakologisch relevante, aber labile Membranproteine ohne Detergenz in Lösung zu bringen, zu stabilisieren und zu kristallisieren. Wir loten das volle Potenzial dieser Strategie aus, indem wir auf umfangreiche stabilisierende Modifikationen mit wenig vorhersagbaren strukturellen und funktionellen Konsequenzen verzichten. Als Nachweis der Machbarkeit konnten wir bisher zeigen, dass Polymere effizient den GPCR Rinder-Rhodopsin aus natürlichen Membranen herauslösen können und die sich bildenden Nanoscheiben der Membran ähnlicher sind als Detergensmizellen. Hier untersuchen wir unter Verwendung gut charakterisierter Modellproteine die Fähigkeit verschiedener Polymere, stabile und funktionelle Nanoscheiben zu bilden sowie Proteine der Kristallisation in kubischen Lipidphasen zugänglich zu machen. Anschließend übertragen wir dieses Wissen auf die Analyse schwieriger Membranproteine, die in vitro in Detergenzien typischerweise instabil sind und sich daher einer gründlichen funktionellen und strukturellen Untersuchung bisher entzogen haben. Für diesen Zweck haben wir den menschlichen GPCR peripherer Cannabinoid- Rezeptor CB2 und den menschlichen ABC Transporter Zystische Fibrose Transmembran Leitfähigkeits Regulator (CFTR) ausgewählt, die an der Entstehung von Multipler Sklerose bzw. Zystischer Fibrose beteiligt sind. Mit Hilfe verschiedener biochemischer und biophysikalischer Methoden, unter anderem Röntgenstrahlen Kristallstrukturanalyse und Elektronenspinresonanz Spektroskopie, erhalten wir biophysikalische und strukturelle Informationen über diese wichtigen Proteine. Dies verbessert unser Verständnis über ihren Signalmechanismus, der durch Ligandenbindung, Protein Protein Wechselwirkungen und Membrandicke oder Membranzusammensetzung angeregt wird. Die Verfügbarkeit nativer Membranproteinstrukturen wird weitreichende Auswirkungen auf die Entwicklung selektiverer und affinerer Wirkstoffe haben.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Kanada
• Gastgeber: Professor Dr. Oliver-Peter Ernst