Allosterie und Proteostase des regulierten Aktomyosinsystems in humanen Herzmuskelzellen

• Antragsteller: Professor Dr. Dietmar J. Manstein
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Kardiologie, Angiologie ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 314376469

Im Rahmen dieses Projektes werden wir die Mechanochemie, Allosterie und Regulation der verschiedenen Aktomyosinkomplexe untersuchen, die in menschlichen Herzmuskelzellen produziert werden. Wir werden mit Hilfe von Aktomyosin-Komplexe, die aus den rekombinant hergestellten und physiologisch korrekt zusammengestellten Komponenten Myosin, Aktin, Troponin und Tropomyosin rekonstituiert werden, die Folgen von post-translationalen Modifikationen, Bindungsereignissen, Isoform-abhängigen Veränderungen und krankheits-verursachenden Mutationen untersuchen. Zur Bestimmung der Zusammensetzung und Lokalisation der verschiedenen Aktomyosinkomplexe des Zytoskeletts führen wir mikroskopische Untersuchungen an menschlichen Kardiomyozyten durch. Gemeinsam mit meinem Team habe ich gezeigt, dass durch Zugabe des kleinen Wirkstoffmoleküls EMD 57033 die enzymatische Aktivität von hitzeinaktiviertem Myosin wiederhergestellt werden kann. Dabei zeigten wir erstmals, dass ein pharmakologisches Chaperon die Rückfaltung und vollständige Wiederherstellung eines Proteins induzieren kann. Durch weitere Experimente haben wir gezeigt, dass auch andere Verbindungen und Verbindungsklassen eine Stabilisierung, Rückfaltung und Erhöhung der Krafterzeugung durch Myosin vermitteln können. Im Fall von beta-kardialem Myosin beobachteten wir ähnliche Effekte mit verschiedenen Thiadiazinon-Derivaten, kleinen Metaboliten und Peptiden. Unsere weiterführenden Arbeiten zielen nun auf ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen und Prozesse, sowie die Identifizierung und gezielte Optimierung von Verbindungen, die mit hoher Selektivität die Stabilisierung, Rückfaltung oder Aktivierung einzelner Myosinisoformen vermitteln können. Effektormoleküle, die sich durch eine größere Spezifität auszeichnen, sind aussichtreiche Zwischenstufen auf dem Weg zu neuen Therapeutika zur Behandlung von genetisch und nicht genetisch bedingten Erkrankungen des Herzens und der Skelettmuskulatur. Verbesserte Wirkstoffeigenschaften, aber vor allem ein besseres Verständnis der Wirkmechanismen und des Einfluss der Effektormoleküle auf die Aktivität und Stabilität der Zielproteine, werden auch die Gestaltung und Interpretation von in vivo Experimenten und klinischen Studien erleichtern. Bei den geplanten Arbeiten können wir auf einem exzellenten Fundament etablierter Methoden aufbauen, das eine erfolgreiche Bearbeitung der Kernfragen sicherstellt. Vor allem im Bereich der Strukturbiologie befinden wir uns zurzeit in einer Umbruchphase, die uns in zunehmendem Maß die Charakterisierung von geregelten Aktomyosinkomplexen mit Sub-Nanometer und Sub-Millisekunden-Auflösung erlaubt. Wir gehen davon aus, dass die daraus resultierenden Ergebnisse über das Aktomyosingebiet hinaus von Bedeutung sein werden und paradigmatisch auf andere Proteine und mit ihnen verbundene Erkrankungen übertragbar sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen