Strukturelle und mechanistische Aufklärung des Start-of-Power Stroke-Zustands im Myosin Motor und seine Bedeutung für die Kraftentfaltung

• Antragsteller: Professor Dr. Matthias Preller; Professor Dr. Georgios Tsiavaliaris
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Biophysik ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 322867023

Die Myosin-Motorfunktion spielt eine essentielle Rolle in Prozessen zellulärer Motilität, die ihren Ursprung in der zyklischen Interaktion des Myosinmotors mit Aktinfilamenten hat. Mechanische Arbeit und gerichtete Bewegung werden durch den Kraftschlag generiert - eine rotatorische Bewegung des langen Myosinhebelarms - welche durch die ATP-Hydrolyse gespeist wird. Dieser Prozess ist das Schlüsselereignis der Myosin-Motoraktivität. Unser Wissen über die molekularen Grundlagen der Mechanotransduktion ist allerdings noch nicht vollständig. Das Fehlen struktureller Information von Zuständen, die dem Kraftschlag vorausgehen, ihn begleiten und beenden, sowie eine bislang nicht hinreichend erfasste Beschreibung der allosterischen Kommunikationswege innerhalb der Motodomäne, hat dies bislang verhindert. Mit Hilfe ausgewählter Mutationen, die wir in funktionale Regionen des Motors einführen werden, zielt das Forschungsprogramm darauf ab, den mechanochemischen Zyklus der Aktomyosin-Interaktion gemäß Lymn und Taylor zu verfeinern und zu komplementieren. Diese Mutation haben wir mithilfe computergestützter Analysen identifiziert um die allosterische Kopplung zwischen Aktinbindung und Kraftgenerierung zu beeinträchtigen und den Motor in einem Zustand festzuhalten, der den Beginn des Kraftschlags repräsentiert (start-of-power stroke), d.h. ein bislang strukturell unerfasster hoch-aktinaffiner Zustand mit einer geschlossenen Aktinbindungsspalte und den Hebelarm nach oben gerichtet. Zu den ausgewählten Mutationen mit ähnlichen funktionalen Effekten zählen ebenfalls einige bislang nicht untersuchte Kardiomyopathie-assoziierte Mutationen. Wir werden diese Mutationen mithilfe eines breiten Spektrums an biophysikalischen und biochemischen Methoden charakterisieren und die Analyse mittels energiebasierter mechanistischer Simulationen und Röntgenkristallographie vervollständigen. Als Resultat erwarten wir atomare Strukturen von elementaren Zuständen des Zyklus aufzuklären, die bislang mit nativen und nicht modifiziert Proteinen kristallographisch nicht zugänglichen sind, und fundierte Einblicke in die Rolle des Aktins für den Kraftschlag und Produktfreisetzung gewinnen. Wichtigstes Ziel unserer Zusammenarbeit ist es neue Kommunikationswege zu beschreiben, indem wir kinetische und thermodynamische Veränderungen ausgelöst durch die Mutationen mit strukturellen Aspekten korrelieren. Dieser Ansatz wird uns eine quantitative Abbildung der Ereignisse erlauben, die die Weiterleitung mechanochemischer Kopplungssignale bestimmen und zur Krafterzeugung führen. Das Wissen über die genauen Kommunikationswege ist zum einem wichtig, um die grundlegenden molekularen Mechanismen Myosin-assoziierter Krankheiten, wie z.B. Kardiomyopathien und neurosensorische Erkrankungen, zu verstehen und zum anderen fördert dieses Wissen die effiziente Entwicklung hochspezifischer Wirkstoffe, die allosterisch wirken, um die Myosinfehlfunktion in diesen Krankheiten zu hemmen oder zu aktivieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen