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TRR 186:  Molekulare Schalter zur räumlichen und kinetischen Regulation der zellulären Signaltransmission

Fachliche Zuordnung Biologie
Chemie
Medizin
Förderung Förderung seit 2016
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 278001972
 
Die zeitliche und räumliche Koordination der Signaltransmission ist ein charakteristisches Kennzeichen zellulärer Physiologie. Biologische Signale werden durch molekulare Schalter erzeugt. Diese erlauben eine zeitliche und räumliche Koordination eines großen Spektrums zellulärer Prozesse. Typische Beispiele sind die Sekretion von Signalmolekülen, die Signal-vermittelte Endozytose, Rezeptor-vermittelte Signaltransduktionsprozesse und die circadiane Kontrolle der Genexpression. Beispiele für molekulare Schalter sind post-translationale Modifikationen und GTPasen. Durch die Aktivierung molekularer Schalter können Zellen intrazelluläre Signale an- und abschalten, um zelluläre Prozesse, die zum Beispiel durch extrazelluläre Signale ausgelöst werden, räumlich und zeitlich zu koordinieren. Zum einen erlauben diese Mechanismen die dynamische Organisation von Komponenten in Nanodomänen um einen Signalweg zu lokalisieren. Zum anderen sind molekulare Schalter die Basis dafür, einen Signalweg kinetisch zu kontrollieren. Hierbei ist ein relativer kleiner Satz von molekularen Schaltern in der Lage eine Vielzahl von zellulären Prozessen mit voneinander stark abweichenden Kinetiken zu koordinieren. Während die molekularen Mechanismen zur An- und Abschaltung molekularer Schalter zumeist im Detail verstanden sind, ist es weitgehend unklar, auf welche Weise die hierdurch ausgelösten Signaltransmissionsprozesse zeitlich und räumlich koordiniert werden können. Deshalb ist es ein übergeordnetes Ziel unseres Forschungsnetzwerkes die Frage zu klären, wie eine kleine Zahl von molekularen Schalter in der Lage ist, eine große Zahl diverser biologischer Prozesse mit unterschiedlichen Kinetiken und unterschiedlichen subzellulären Lokalisationen zu koordinieren. Hierzu benutzen wir chemisch-biologische Werkzeuge wie beispielsweise photoaktivierbare Membranlipide, mit deren Hilfe man aktive molekulare Schalter in lebenden Zellen simulieren kann. Darüber hinaus wenden wir optogenetisch oder mit kleinen Molekülen kontrollierbare Systeme an, mit denen zelluläre Prozesse synchronisiert oder die Lokalisation und Funktion von Proteinen gesteuert werden können. Diese Methoden werden durch strukturbiologische, biochemische und theoretische Ansätze wie die kinetische Modellierung oder Moleküldynamiksimulationen ergänzt. Auf diese Weise untersuchen wir die individuellen Schritte eines gegebenen Prozesses durch die Bestimmung der Zusammensetzung, Aktivierung und Zeit-abhängigen Lokalisierung der beteiligten Schlüsselkomponenten. Mit dieser Kombination interdisziplinärer Methoden kommen wir unserem Ziel näher, ein vollständiges Verständnis der zellulären Mechanismen zu erarbeiten, auf deren Basis molekulare Schalter die zeitliche und räumliche Kontrolle von komplexen zellulären Prozessen wie die Sekretion von Signalmolekülen, Rezeptorsignaltransduktion und Endozytose, die Genexpression und andere zentrale Aktivitäten ermöglichen, die vitale Zellen charakterisieren.
DFG-Verfahren Transregios

Laufende Projekte

Abgeschlossene Projekte

Antragstellende Institution Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
Mitantragstellende Institution Freie Universität Berlin
Sprecher Professor Dr. Christian Freund, seit 7/2022; Professor Dr. Walter Nickel, bis 6/2022
 
 

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