Entschlüsselung molekularer Mechanismen der Magnetorezeption von Vögeln durch Proteinstrukturvorhersagen und Multiskalensimulationen

• Antragsteller: Andrei Kostritskii, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Biochemie und Physiologie der Tiere
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541484920

Die Magnetorezeption ist eine außergewöhnliche Sinnesart, die es manchen Tieren ermöglicht, äußere Magnetfelder zu spüren. Insbesondere die Magnetorezeption in Form eines magnetischen Kompasssinns ermöglicht es Zugvögeln, die Inklination des Erdmagnetfelds für ihre Langstreckennavigation zu nutzen. Der prominenteste Kandidat für ein Protein, das bei Vögeln als echter Magnetorezeptor dienen könnte, ist Cryptochrom 4 (Cry4). Cry4 wird in der Retina von Vögeln exprimiert und absorbiert Licht, das einen Elektronentransfer innerhalb des Proteins auslöst, der zur Bildung eines magnetosensitiven Radikalpaars führt. Während die photoinduzierte Bildung von Radikalpaaren in Cryptochromen gut untersucht wurde, verbleibt der Mechanismus der Magnetorezeption über diesen allerersten Schritt hinaus unklar. Tatsächlich ist nicht nur der molekulare Mechanismus des Übergangs von Cry4 in eine aktivierte Signalkonformation unerforscht, sondern auch die aktivierte Konformation selbst muss noch bestimmt werden. Um letztendlich die neuronale Aktivität zu verändern, müssen sich die photoinduzierten Konformationsänderungen von Cry4 über Protein-Protein-Interaktionen weiter ausbreiten. Die strukturellen Details solcher Interaktionen sind ebenfalls weitgehend unbekannt. Das vorgeschlagene Projekt zielt darauf ab, diese Lücken im Verständnis der Magnetorezeption von Vögeln zu schließen, indem ich Konformationsänderungen und Protein-Protein-Interaktionen von Cry4 des Rotkehlchens (ErCry4) untersuche. Um das vorgeschlagene Ziel zu erreichen, werde ich (1) die aktivierte Konformation von ErCry4 bestimmen, (2) ein kinetisches Modell der ErCry4-Aktivierung erstellen und (3) Mechanismen der Signaltransduktion zwischen ErCry4 und seinen Interaktionspartnern aufklären. Diese Aufgaben werden mittels groß angelegter Proteinstrukturvorhersagen und Molekulardynamiksimulationen sowohl mit atomarer und grobkörniger Auflösung angegangen. Ich werde Multiskalensimulationen in Kombination mit modernste Simulationstechniken verwenden, um strukturelle und dynamische Einblicke in die ErCry4-Aktivierung zu gewinnen. Ich werde Strukturvorhersagen von ErCry4 im Komplex mit seinen Interaktionspartnern nutzen, um das molekulare Modell der ErCry4-Aktivierung in einen breiteren Kontext von Protein-Protein-Interaktionen zu stellen. Als Ergebnis werde ich einen molekularen Mechanismus der Signalübertragung vom magnetosensitiven Radikalpaar über Konformationsänderungen von ErCry4 zu einer Änderung seiner Protein-Protein-Interaktionen vorschlagen und damit ein weiteres Teil zum faszinierenden Puzzle der Magnetorezeption von Vögeln hinzufügen.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle