Strukturdeterminanten von Druckdetektion und Aktivierung in MscS-ähnlichen Kanälen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Bettina Böttcher
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie ; Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 343886090

Mechanosensitive Kanäle spielen eine wichtige Rolle bei der Osmoregulation und schützen Bakterien vor hypoosmotischem Schock. Unsere Forschung konzentriert sich auf MscS-ähnliche Kanäle aus E.coli, Dort gibt es sechs Paraloge, die eine abgestufte Reaktion auf Umweltveränderungen ermöglichen. MscS-ähnliche Kanäle sind Heptamere, mit einem zytosolischen Vestibül, das den Eingang zur Membran-Pore umschließt. Die Pore wird von sieben membrangebundenen Paddeln umgeben, die je nach Pralog aus 2 - 10 Helices bestehen. Basierend auf unseren Strukturen von YnaI und YbiO gehen wir davon aus, dass die Determinanten für Sensorik, Gating und Leitfähigkeit in der modularen Architektur der Kanäle verschlüsselt sind. Wir denken, dass die Paddel das Sensormodul formen, das durch das Zusammenspiel von positiv geladenen Resten mit Lipiden moduliert wird. Gating hängt wahrscheinlich von 15 Aminosäuren in den Porenhelices ab, die den Paddeln folgen. In YnaI geht Gating mit einer Verkürzung der Pore einher und unterscheidet sich so vom Mechanismus des kleinen MscS. Wir denken, dass die Porenverkürzung in einem GGxGG-Motiv verschlüsselt ist, das spezifisch für einen Teil der MscS-ähnlichen Kanälen ist, zu denen auch YnaI gehört nicht aber MscS. Die Leitfähigkeit selbst, wird durch den nachfolgenden Teil der Pore und das Vestibül vermittelt. Wir nehmen an, dass alle drei Module untereinander austauschbar sind und zu chimären, funktionalen Kanälen zusammengesetzt werden können, die die Eigenschaften der entsprechenden Spenderkanäle aufweisen. Diese Hypothesen wollen wir in einem YnaI-Hintergrund testen. Dazu werden wir YnaI-Mutanten erzeugen, die die Bedeutung der positiven Ladungen in den Paddeln für Lipidbindung und Druckdetektion beleuchten. Andere Mutanten werden die Gating-Eigenschaften natürlich vorkommender Gly-reicher Motive testen, um Motive die eine Porenverkürzung unterstützen von solchen zu unterscheiden, bei denen die Porenlänge beibehalten wird. Schließlich werden wir chimäre Kanäle erzeugen, in denen YnaI-Module durch die entsprechenden Module anderer MscS-ähnlichen Kanälen ersetzt werden. Dies wird zeigen ob die Module tatsächlich, unabhängig voneinander funktionieren. Für die Untersuchung der Eigenschaften der Mutanten und Chimäre werden wir einen multidisziplinären Ansatz verfolgen. Zunächst werden wir testen, ob die Mutanten Bakterien gegen einen hypoosmotischem Schock schützen. Dann werden wir in Patch-Clamp-Experimenten bestimmen, welcher Druck für die Kanalöffnung benötigt wird, wie sich die Leitfähigkeit der offenen Kanäle verändert und ob die Gating-Eigenschaften durch die Mutationen beeinflusst werden. Schließlich werden Strukturuntersuchungen mit Elektronenkryomikroskopie zeigen, wie Strukturänderungen mit Funktionsänderungen gekoppelt sind. Von unseren Untersuchungen erwarten wir tiefgehende mechanistische Einblicke, die die Diversität der Kanäle und Ihre funktionale Adaption in der Natur in ein neues Licht setzen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen