MITOKINESIN - Untersuchung des Funktionsmechanismus und der Regulation von MKlp2 Kinesin mittels atomar-aufgelöster Strukturanalyse und hochauflösender Verfolgung in Zellen

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Enderlein, seit 6/2019
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 283958999

Mitose involviert komplexe Reorganisationen des Zytoskeletts, angetrieben durch Motorproteine, die präzise reguliert sind, um Zellinhalt und Chromosomen korrekt zu verteilen. Die offenen Fragen in diesem Gebiet zielen auf die kollektive Regulation der Motoren, was wiederum für die Entwicklung von Medikamenten (gegen Krebs) belangreich ist. Der Kinesin 6 Motor MKlp2 ist wichtig im Übergang von Metaphase zu Anaphase und für die Zytokinese. Inhibition von MKlp2 in Pankreas Adenokarzinoma-Zellen reduziert Zellwachstum, und MKlp2 Inhibitoren können Krebs-Stammzellen sogar abtöten. Die Motordomäne von MKlp2 ist 60% größer als die anderer Kinesine aufgrund von Sequenzeinschüben, die vermutlich den Motor regulieren. MKlp2 interagiert mit den Kinasen Polo-kinase 1 (Plk1) und Aurora B und kontrolliert deren Aktivität in der Zellteilung, und mit Myosin II, das nötig ist, um Kinasen während der Zellspaltung zu lokalisieren. Ob die Motoraktivität von MKlp2 dafür notwendig ist oder ob die Aktivität von Myosin II durch MKlp2 beeinflusst wird, ist nicht bekannt. Motoreigenschaften und Regulation von MKlp2 sind bisher weitgehend unerforscht.MKlp2 ist ein N-terminales Kinesin mit auffallenden Sequenzmerkmalen, einer N-terminalen Verlängerung, einem kurzen Einschub in Schleife L2 (Bindung an Mikrotubuli), einem langen Einschub in L6, nahe des N-Terminus in der gefalteten Struktur, und einem Linkersegment zwischen den beiden Köpfen, das 4 mal länger ist als das von anderen Kinesinen. Da die langen Einschübe nahe den für die Kraftgeneration wichtigen Strukturelementen liegen, besitzt dieser Motor wahrscheinlich einen abweichenden Krafterzeugungsmechanismus. Ob die Einschübe in die Regulation involviert sind, ist unklar. Vorläufige Ergebnisse belegen, dass dieses Kinesin ungewöhnlich ist. Die Wechselwirkung mit Plk1 nahe des mechanisch aktiven Strukturelements des Motors legt es nahe, dass Plk1 die Kraftproduktion, den Transport oder die Organisation von Mikrotubuli während der Mitose beeinflusst.Um den Funktionsmechanismus von MKlp2 zu verstehen, planen wir, atomar aufgelöste Strukturbestimmung mit dynamisch funktionaler Charakterisierung in vitro und in vivo zu kombinieren. Zur Beobachtung einzelner Motormoleküle in der lebenden Zelle werden wir eine neue Methode anwenden, basierend auf der extrem stabilen Nah-IR Fluoreszenzemission von einschaligen Karbonnanoröhren, die spezifisch und kovalent an die Motorproteine angebunden werden können. Darüberhinaus haben wir eine interdisziplinäre internationale Kollaboration etabliert, um MKlp2 zusätzlich mit kinetischen Experimenten und Kryo-Elektronenmikroskopie zu studieren.Das vorgeschlagene Projekt ist ehrgeizig und innovativ durch die direkte Kombination von Strukturbestimmung und dynamischen funktionalen Messungen in lebenden Zellen und wir werden Pionierarbeit leisten durch das Verfolgen der Motoren in lebenden Zellen mit neuer höchstauflösender Abbildungsmethodik.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Mitverantwortlich(e): Professorin Anne Houdusse, Ph.D.
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Christoph Friedrich Schmidt, bis 5/2019