Erlangung eines quantitativen und molekularen Verständnisses der Größenregulation von Hefezellen

• Antragsteller: Dr. Kurt Michael Schmoller
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431480687

Die Größe einer Zelle ist von maßgeblicher Bedeutung für viele zelluläre Prozesse, und ihre exakte Regulierung daher entscheidend für das Überleben von ein- und mehrzelligen Organismen. In proliferierenden Zellpopulationen wird Zellgröße typischerweise durch eine Kopplung von Zellwachstum und Teilung kontrolliert. Obwohl diese Kopplung seit mehreren Jahrzehnten intensiv untersucht wird, sind die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen unzureichend verstanden. Aufgrund der stochastischen Natur der Zellzyklusregulierung wird ein quantitativer Ansatz, der molekularbiologische Methoden, biophysikalische Konzepte und Modellierung kombiniert, von entscheidender Bedeutung sein, um dieses Ziel zu erreichen.Unser bisheriges Wissen über Zellgrößenregulierung beruht vor allem auf der Untersuchung von einzelligen Modellorganismen, insbesondere Bäcker- und Spalthefe, die wegen ihrer simplen Form, der kurzen Verdopplungszeit sowie der verfügbaren molekularbiologischen Methoden optimal geeignet sind. Genetische Studien lieferten schon früh umfassende Erkenntnisse über die Proteine und Regulationsnetzwerke die der Größenregulierung von Hefezellen zugrunde liegen. Technologische Entwicklungen in der Einzelzellmikroskopie in den letzten Jahren führten zu einer Renaissance des Feldes, und die daraus resultierende Fülle von Einzelzelldaten zu neuen phänomenologischen und mechanistischen Erkenntnissen.In Bäckerhefe findet die Zellgrößenregulierung hauptsächlich am G1/S-Übergang statt: Zellen, die klein geboren werden, wachsen länger in G1. Ich konnte zeigen, dass dies darauf beruht, dass die Synthese eines Zellzyklusaktivators, Cln3, und eines Zellzyklusinhibitors, Whi5, unterschiedlich von Zellgröße abhängen: Während Cln3-Synthese proportional zu Zellgröße zunimmt, wird Whi5 mit einer größenunabhängigen Rate produziert. Das daraus resultierende größere Verhältnis von Inhibitor- zu Aktivatorkonzentration in kleineren Zellen stellt dann sicher, dass diese vor dem Eintritt in den nächsten Zellzyklus stärker wachsen. Ein wichtiger Aspekt der Zellgrößenkontrolle jedoch, nämlich die Zellgröße an wechselnde Nährstoffbedingungen anzupassen, wurde in meiner bisherigen Arbeit nicht berücksichtigt.In dem vorliegenden Antrag schlage ich nun vor, mit einer Kombination aus Einzelzellmikroskopie, molekularer Zellbiologie und mathematischer Modellierung die Funktion des Whi5 Paralogs Whi7 sowie des Zellzyklus-Aktivators Bck2 aufzuklären, um dann anschließend die nährstoffabhängige Zellgrößenregulierung in Bäckerhefe zu untersuchen. Um zu klären, welche Zellzyklusübergänge und Zelleigenschaften mit sich ändernden Nährstoffbedingungen reguliert werden, werde wir ein Zellzyklusmodell verwenden, das wir erfolgreich etabliert haben, um die Zellgrößenverteilung in ‚steady-state‘-Bedingungen zu erklären. Neben einem mechanistischen Verständnis der Hefezellengrößenregulierung werden wir allgemeine Konzepte erarbeiten, die anschließend auf Säugerzellen übertragen werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen