Charakterisierung von Kontrolle und Konsequenzen der biophysikalischen Eigenschaften des Zellkerns

• Antragsteller: Dr. Tamas Szoradi
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Biochemie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417630603

Die Eigenschaften des Zellinneren sind entscheidend für Organisation und Effizienz biochemischer Reaktionen, aber die physikalische Natur des Zytoplasmas und des Zellkerns ist vor allem auf der Mesoskala (10 nm - 1 Mikrometer) wenig verstanden. Ein Merkmal des Zellinneren ist makromolekulare Verdrängung, von der vorhergesagt wird, dass sie einen großen Einfluss auf nukleare Funktionen und Prozesse hat. Das diffusive und interaktive Verhalten von Molekülen wird durch überfüllte Umgebungen stark verändert. Dies zeigt sich in der Notwendigkeit von Verdrängungsmitteln für viele biochemische Reaktionen in vitro. Darüber hinaus wurden kürzlich nukleare Kompartimente wie Nukleoli, Cajal-Körper und Heterochromatin als phasengetrennte Flüssigkeitströpfchen beschrieben. Die Phasentrennung wird durch Verdrängung begünstigt. Folglich werden Bildung, Dynamik und Größe dieser Kompartimente wahrscheinlich stark durch makromolekulare Verdrängung beeinflusst. Verdrängung kann daher einen großen Einfluss auf nukleare Prozesse haben. Die Regulation dieser physikalischen Eigenschaften ist kaum verstanden, daher ist das Ziel meines Forschungsvorhabens, die Regulation und die physiologischen Konsequenzen von Verdrängung im Zellkern zu bestimmen.Mein Gastlabor, die Gruppe von Liam Holt, hat genetisch kodierte multimere Nanopartikel (GEMs) entwickelt, die die Charakterisierung der mesoskopischen Eigenschaften der Zelle wesentlich erleichtern. GEMs sind selbstorganisierende fluoreszierende Nanopartikel, aus deren Bewegung biophysikalische Parameter einschließlich des Ausmaßes der makromolekularen Verdrängung abgeleitet werden. Vorläufige Beobachtungen haben gezeigt, dass Inhibierung des TORC1-Komplexes die Beweglichkeit von Zellkern-gerichteten GEMs erhöht. Dies legt nahe, dass die TORC1-Signalgebung die mesoskopischen biophysikalischen Eigenschaften des Zellkerns dramatisch reguliert und offenbart eine neue, bislang nicht charakterisierte Rolle für den vielseitigen TORC1-Signalweg. Mein Forschungsziel ist daher, die Mechanismen zu bestimmen, mit denen TORC1 die biophysikalischen Eigenschaften des Zellkerns reguliert, sowie langfristig die Konsequenzen dieser Regulation. Ich werde den Einfluss von TORC1-Signalgebung auf Verdrängung im Zellkern und auf Zellkern-Dynamik charakterisieren und GEMs verwenden, um die Auswirkungen der TORC1-Hemmung auf die Verdrängung im Zellkern und Nukleolus zu untersuchen. Ich werde außerdem Chromosomen-Dynamik an multiplen heterochromatischen und euchromatischen Genorten untersuchen. Zweitens werde ich Hefe-Genetik nutzen, um Mechanismen für die Kontrolle der nuklearen Verdrängung durch TORC1 zu untersuchen. Schließlich werde ich die Konsequenzen von fehlerhafter Verdrängung im Zellkern auf mRNA Transkription, Spleißen und Transport untersuchen. Diese Experimente werden zeigen, wie die biophysikalischen Eigenschaften des Zellkerns gesteuert werden, um die physiologischen Relevanz von makromolekularer Verdrängung im Zellkern besser zu verstehen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Dr. Liam Holt