Charakterisieren der Funktion einzelner, nativer Membranproteine

• Antragsteller: Professor Dr. Daniel J. Müller
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2003 bis 2008
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5406538

• Erstellungsjahr: 2008

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im geförderten Antrag wurde beabsichtigt, die multifunktionellen Eigenschaften des Rasterkraftmikroskops (engl. AFM) anzuwenden, um Zusammenhänge zwischen Struktur und Funktion einzelner Membranproteine zu charakterisieren. Unterschiedliche Membranproteine wie Antiporter, F0F1 ATP Synthasen verschiedener biologischer Spezies, sowie das Sehpigment Rhodopsin standen unter anderem im Fokus. Mit dem AFM konnten die Substrukturen dieser und weitere Membranproteine in ihrer nativen Zustand unter physiologisch relevanten Bedingungen abgebildet werden. So konnten wir neue oligomere Zustände ionengetriebener Rotoren verschiedener F0F1 ATP Synthasen strukturell aufzeigen. Durch die systematische Einbindung des AFM zur Untersuchung biochemischer Proben konnte auch untersucht werden, von welchen Faktoren der oligomere Zustand der Rotoren abhängt. Funktionell bedingte Zustandsänderungen von Membranproteinen konnten wir mit dem AFM am Beispiel eines Kommunikationskanals (Gap Junction) der Epithelzelle beobachten. Zusätzlich zur bloßen strukturellen Beobachtung wurden die multifunktionellen Eigenschaften des AFM genutzt, um simultan verschiedenartige biophysikalische Eigenschaften der Membranproteine zu delektieren. So konnten wir beispielsweise eine auf dem AFM basierte Methode entwickeln, mit der es weltweit erstmals möglich war, die Bindung eines Liganden oder eines Inhibitors an einen einzelnen und vor allem nativen Antiporter zu delektieren und zu lokalisieren. Gleichzeitig wurde es möglich mit dieser neuen Methode den funktionellen Zustand des Antiporters zu bestimmen. Angewandt auf Rhodopsin konnten wir damit auch zeigen, auf welche Weise Zink das Sehpigment stabilisiert bzw. Zinkmangel zu seiner Destabilisierung führt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 'Fourteen protomers compose the oligomer III of the proton-rotor in spinach chloroplast ATP-synthase'. Journal of Molecular Biology (2003) 333, 374-344
  H. Seelert, N. Dencher & D.J. Müller
  
• 'Locating ligand binding and activation of a single antiporter'. EMBO reports (2005) 6, 668-674
  A. Kedrov, M. Krieg, Ch. Ziegler, W. Kühlbrandt & D.J. Müller
  
• 'Structural evidence for a constant c11 ring stoichiometry in the sodium F-ATP synthase'. FEBS Journal (2005) 272, 5474-5483
  Th. Meier, J. Yu, Th. Raschle, F. Henzen, P. Dimroth & D.J. Müller
  
• 'The c15 ring of the Spirulina platensis F-ATP synthase: Fl/Fo symmetry mismatch is not obligatory'. Embo reports (2005) 6, 1040- 1044
  D. Pogoryelov, J. Yu, Th. Meier, J. Vonck, P. Dimroth & D.J. Müller
  
• 'Characterizing folding, structure, molecular interactions and ligand gated activation of single sodium/proton antiporters'. Naunyn-Schmiedeberg's Archives of Pharmacology (2006) 372, 400-412
  A. Kedrov & D.J. Müller
  
• 'Detecting molecular interactions that stabilize native bovine rhodopsin'. Journal of Molecular Biology (2006) 358, 255-209
  T. Sapra, P.S.H. Park, A. Engel, S. Filipek, D.J. Müller & K. Palzcewski
  
• 'Differentiating ligand and inhibitor interactions of a single antiporter'. Journal of Molecular Biology (2006) 362, 925-932
  A. Kedrov, Ch. Ziegler & D.J. Müller
  
• 'Imaging and detecting molecular interactions of single Transmembrane proteins'. Neurobiology of Aging (2006) 27, 546-561
  H. Janovjak, A. Kedrov, D.A. Cisneros, K.T. Sapra, J. Struckmeier & D.J. Müller
  
• 'Single-molecule studies of membrane proteins'. Current Opinion in Structural Biology (2006) 16,489-495
  D.J. Müller, K.T. Sapra, S. Scheuring, A. Kedrov, P.L. Frederix, D. Fotiadis, & A. Engel
  
• 'Structure of the rhodopsin dimer: A working model for G-protein coupled receptors'. Current Opinion in Structural Biology (2006) 16, 252-259
  D. Fotiadis, B. Jastrzebska, A. Philippsen, D.J. Müller, K. Palczewski & A. Engel
  
• 'Aminosulfonate modulated pH induced conformational changes in Connexin26 hemichannels'. Journal of Biological Chemistry (2007) 282, 8895-8904
  J. Yu, Ch. Bippes, G. Hand, D.J. Müller & G. Sonsinsky
  
• 'Deciphering molecular interactions of native membrane proteins by single-molecule force spectroscopy'. Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure (2007) 36,233-260
  A. Kedrov, H. Janovjak, K.T. Sapra & D.J. Müller
  
• 'Detecting molecular interactions that stabilize, activate and guide ligand-binding of the sodium/proton antiporter MjNhaP1 from Methanococcus jannaschii'. Journal of Structural Biology (2007) 159, 290-301
  A. Kedrov, S. Wegmann, S. Smiths, P. Goswami, H. Baumann, & D.J. Müller
  
• 'Stabilizing effect ofZn2+ in native bovine rhodopsin'. Journal of Biological Chemistry (2007) 282,11377-11385
  P.S.-H. Park, K.T. Sapra, M. Kolinski, S. Filipek, K. Palczewski & D.J. Müller
  
• 'The oligomeric state of c rings from cyanobacterial F-ATP synthases varies from 13 to 15'. Journal of Bacteriology (2007) 189, 5895-5902
  D. Pogoryelov, C. Reichen, A. Klyszejko, R. Brunisholz, D.J. Müller, P. Dimroth & Th. Meier
  
• 'Examining the dynamic energy landscape of an antiporter upon inhibitor binding'. Journal of Molecular Biology (2008) 375, 1258-1266
  A. Kedrov, M. Appel, H. Baumann, Ch. Ziegler & D.J. Müller