Strukturelle Dynamik membrangebundenen BAX Oligomeren: intramolekulare Flexibilität vs Population-Heterogenitäten

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Enrica Bordignon; Professorin Dr. Ana Jesús Garcia Sáez
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 319282808

Bax spielt eine Schlüsselrolle in der Permeabilisierung der äußeren Mitochondrienmembran und der Regulation der Apoptose. Trotz aktueller Forschungsfortschritte, bleibt die kritische Frage wie genau (also den molekularen Mechanismus) Bax die Permeabilisierung der äußeren Mitochondrienmembran bewirkt. Diese Vorgänge sind nur teilweise und nicht bis in Detail verstanden. Die inaktive Form von Bax ist löslich, monomer und strukturell gut charakterisiert, wogegen die aktive, membran-ständige und oligomere Konformation nur teilweise strukturell verstanden ist. Unsere bisherigen Daten zeigen, dass die C-terminale Piercing-Domäne in der membran-ständigen, activen Bax Konformation sehr flexible ist, und an den Protein-Protein-Interaktionen, die das Oligomer bilden, beteiligt ist. Aber gerade diese Flexibilität macht strukturelle Untersuchungen sehr schwierig. Da Strukturmodel, dass wir für das membran-ständige Bax vorgeschlagen haben, zeigt Bax als Klemme die ein Pore in der Membrane stabilisieren kann. Teile dieses Models brauchen aber eine Validierung, um zu zeigen wie genau das Protein in Relation zur Membran orientiert ist. Dazu planen wir eine Kombination Einzelmolekül-Abbildung und Elektronen-Spin-Resonanz Messungen durch zu führen. Die Stärke dieses Ansatzes ist die Nutzung der sehr unterschiedlichen und komplementären Techniken, die zur Anwedung kommen sollen.Hauptziel des Projektes ist es, die strukturelle Organisation der aktiven, membran-ständigen Konformation des Bax-Oligomers mit Fokus auf die Piercing-Domäne. Wir planen diese unterschiedlichen Konformationen zu beschreiben und ihren Einfluss auf die Oligomerbildung mittels biophysikalischer Methoden zu untersuchen. Dazu kommen die Beiden komplementär Methoden: Elektronen-Spin-Resonanz-Spektroskopie und Einzelmolekül-FRET-Mikroskopie zum Einsatz. Wir werden die folgenden Punkte untersuchen:A) Die Ausrichtung des Bax-Dimers bezüglich der Pore und der Membranebene.B) Den Aufbau der Piercing-Domain im aktiven Bax: Flexibilität gegenüber der Einnahme spezifischer Konformationen sowie der Ausrichtung einzelner Helixes mit Respekt zur Membran, des N-terminalen Teil des Proteins und des benachbarten Monomers innerhalb des Oligomers.C) Photo-aktivierbaren Cysteine sollen als Werkzeuge für eine spezifische orthogonalen Markierung des bax Proteins genutzt werden, um das Strukturmodell des membran-ständigen Bax-Oligomers zu erweitern.Die in diesem Vorschlag vorgesehenen Experimente gehören Ansätze an der Spitze der Strukturforschung von Membranproteinen und wird neue Möglichkeiten für deren Charakterisierung in der natürlichen Umgebung der Lipiddoppelschicht zu öffnen. Die Organisationsstruktur der Bax während MOM Permeabilisierung und seine Verknüpfung mit Funktion ist der Schlüssel für ein umfassendes Verständnis davon, wie die Bcl-2-Proteine Apoptose regulieren, die eine grundlegende Frage in der Biologie ist zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen