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Projekt
Neue Ansätze zur Untersuchung der Signalkette des spannungsabhängigen Gatings im Selektivitätsfilter von K+-Kanälen
Antragstellerin
Professorin Dr. Indra Schröder
Fachliche Zuordnung
Biophysik
Förderung
Förderung von 2020 bis 2024
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 291198853
Der Selektivitätsfilter entwickelt sich derzeit zu einem der wichtigsten Gates von Kaliumkanälen (K+-Kanäle). Es ist bekannt, dass sowohl die Besetzung einzelner K+ Bindungsstellen im Selektivitätsfilter (SF) als auch die Membranspannung dieses Gate regulieren. Von den der Funktion des Gates zugrunde liegenden molekularen Prozesse sind nur wenige verstanden. Um die experimentelle Erprobung theoretischer Modelle zu ermöglichen, haben wir kürzlich aus den Stromspuren eines K+-Kanals die spannungsabhängige ortsspezifische Ionenverteilung im SF und deren Korrelation mit dem Gating ermittelt. Ferner identifizierten wir eine spezifische K+-Bindungsstelle als Spannungssensor und kamen zu dem Schluss, dass Veränderungen in der Proteinflexibilität und nicht unmittelbare Konformationsänderungen das Gating modulieren. Gegenstand dieses Projektes ist ein spannungsabhängiger Gating-Prozess im SF eines viralen K+-Kanals (Kcv) mit Sub-Millisekunden-Kinetik. Durch eine Kombination von zellfreien Einzelkanalmessungen und computergestützten Methoden werden wir herausfinden, a) wie die Besetzung mit Ionen die Flexibilität des SF moduliert, b) wie das Signal von der Sensorbindungsstelle zum Gate übertragen wird und c) die Position und den Mechanismus des Gates identifizieren. Hochauflösende Experimente in planaren Lipiddoppelschichten werden Einzelkanäle charakterisieren. Dabei werden modifizierte Ionen-Filter-Wechselwirkungen durch verschiedene permeierende Ionen und Punktmutationen induziert. Punktmutationen kommen auch beim Studium der Rolle des Wasserstoffbrückennetzwerks zwischen der Porenhelix und dem SF zum Einsatz. ANM-Berechnungen (Anisotrope Netzwerk Modelle) dienen als erster sondierender Ansatz zur Wirkung der Mutationen und der ermittelten Ionenbesetzungen. Dies wird Abschätzungen über die damit verbundenen Veränderungen der Flexibilität und die Hauptkomponenten (principal components) der strukturellen Dynamik liefern. Die vertiefte Identifikation der molekularen Mechanismen geschieht dann durch globale Fits der funktionellen Daten mit kinetischen Markov Modellen und theoretisch durch MD-Simulationen.Die Forscher von P3 werden Strukturinformationen aus Festkörper-NMR-Experimenten liefern. Atomistische MD-Simulationen werden von P5 durchgeführt, um die vorgeschlagenen molekularen Mechanismen zu testen. Das Fachwissen über das Fitten mit Hidden Markov-Modellen in P2 wird genutzt, um die Analysen zu verbessern. Durch diese Kombination von experimentellen Daten mit grobkörnigen und atomistischen Berechnungen werden detaillierte biophysikalische Erkenntnisse über die Mechanismen des SF-Gate in Kcv-Kanälen erwartet.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
