Medizinische Fakultät der Universität des Saarlandes
Forschung
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Membranproteine spielen eine bedeutende Rolle innerhalb zellulärer und physiologischer Prozesse. Sie vermitteln den Stoff- und Informationstransfer zwischen Zellen, intrazellulären Kompartimenten und Organsystemen. Funktionell intakte Membranproteine sind für die Gesundheit unerlässlich und spezifische Defekte dieser Proteine führen zu vielen bekannten Erkrankungen des Menschen. Membranproteine sind die Angriffsziele für eine große Zahl an pharmakologisch und toxikologisch wirksamen Substanzen. Sie sind zum Teil für deren Aufnahme, Verstoffwechselung und Abbau verantwortlich. Unser übergreifendes Interesse gilt der Identifizierung von Schlüssel-Komponenten der Membran-abgeleiteten Signal-Transduktionswege, der Untersuchung ihrer Funktionen im Labor sowie die Übertragung der Forschungsergebnisse in die Krankenpflege.

 

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Röntgen-Strukturanalyse von Proteinen

(Bildquelle: Prof. Dr. Axel Scheidig)


Die Mitglieder des KoMM konzentrieren sich auf die folgenden wichtigen Aspekte der Funktion und Regulation von Membranproteinen:

 

Biogenese von Membranproteinen und Protein-Translokation
Neu synthetisierte Membranproteine wie z.B. TRP-Kanäle müssen in die Zielmembranen inseriert, in ihre nativen Strukturen gefaltet und in den meisten Fällen mit weiteren Komponenten zu oligomeren Komplexen assembliert werden, bevor sie ihre Funktionalität erreichen. All diese Prozesse beinhalten eine Reihe von biogenetischen Komponenten, die oft selbst Membranproteine darstellen. Zur Aufklärung mechanistischer Prinzipien und regulativer Prozesse werden derzeit viele dieser Komponenten aus verschiedenen Systemen mit den unterschiedlichsten Methoden untersucht. Während des vergangenen Jahrzehnts ist das Wissen um die zugrunde liegenden Mechanismen stark angestiegen. Zusätzlich ist der Zusammenhang zwischen Erkrankungen des Menschen und Defekten in der Maschinerie der Biogenese von Membranproteinen erkannt worden. Das Ziel einer Proteomics-Gruppe ist daher die Aufklärung der grundlegenden Prinzipien, nach denen Membranproteine in der Zelle ausgebildet werden sowie die Identifizierung und Charakterisierung der Komponenten, die diesen komplexen Prozess vermitteln. Die enge Zusammenarbeit verschiedener pharmakologisch und klinisch orientierter Gruppen ist dabei von essentieller Bedeutung.

 

 

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3D-Rekonstruktion eines Ribosoms nach Cryo-Elektronenmikroskopie

(Bildquelle: Prof. Dr. Richard Zimmermann)

 

Molekulare Mechanismen der neuronalen Exozytose, Struktur und strukturelle Änderungen von Proteinen, die an der Membranfusion beteiligt sind
Die Transmitterfreisetzung während der Fusion synaptischer Vesikel mit der Plasmamembran stellt das wichtigste Signalereignis im zentralen Nervensystem dar. Dieses sichert nicht nur die Kommunikation zwischen den 100 Milliarden Nervenzellen, seine Modulation bildet außerdem die Basis der Plastizität unserer Gehirnfunktion (Lernen, Gedächtnis). Verschiedene Arbeitsgruppen untersuchen die spezifischen Funktionen der beteiligten Proteine mit hochauflösenden Methoden wie der Elektrophysiologie und dem "real-time imaging". Die Aufklärung der molekularen Mechanismen der neuronalen Exozytose und das Verständnis seiner Modulation wird uns helfen, wirksame Therapien der altersbedingten Demenz wie Alzheimer zu entwickeln und effektive Lehrstrategien an Schulen und Universitäten zu etablieren.

 

 

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2-Photonen Mikroskopie von Nervenzellen

(Bildquelle: Dr. Peter Blaesse)

 

Funktion und Regulation transienter Rezeptorpotential (TRP)-Kanäle
Die aktuelle Forschung zeigt, dass viele TRP-Kanäle an sensorischen Funktionen wie riechen, schmecken, hören, Temperaturfühlung und Pheromon-Wahrnehmung beteiligt sind. Andere TRP-Kanäle regulieren die Ca2+-abhängige Exocytose in nicht-erregbaren Zellen wie Mastzellen und Lymphozyten. Eine weitere Gruppe immer noch sehr mysteriöser TRP-Kanäle scheint die Beweglichkeit von Zellen im Körper zu beeinflussen und ist vermutlich an so unterschiedlichen Prozessen wie der Wundheilung, der Immunabwehr, der embryonalen Entwicklung und der Bildung von Metastasen bei Krebs beteiligt. Die beteiligten Arbeitsgruppen untersuchen die zelluläre und molekulare Basis spezifischr TRP-Funktionen und ihre Einbindung in die Physiologie eines Gesamtorganismus und in das komplexe Verhalten (vom Gen über die Zelle zum Verhalten).

 

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3D-Rekonstruktion von ER und Mitochondrien in einer lebenden COS-1 Zelle mittels GFP und DsRed2-Fluoreszenzmikroskopie

(Bildquelle: Prof. Dr. Peter Lipp und Dr. Lars Kästner)

 

Entschlüsselung intrazellulärer Ca2+-Signale
Ca2+-Ionen sind wahrscheinlich die wichtigsten sekundären Botenstoffe. Räumlich und zeitlich koordinierte Änderungen in der cytosolischen Ca2+-Konzentration initiieren so unterschiedliche Prozesse wie Muskelkontraktionen, Sinnesempfindungen, Beweglichkeit, synaptische Übertragungen oder die transkriptionale Regulation. Obwohl interne Ca2+-Konzentrationen mit Hilfe von fluoreszierenden Ca2+-Indikatoren recht einfach gemessen werden können, führt die ungleichmäßige Verteilung von Ca2+-Kanälen in der Plasmamembran, die hocheffiziente Abpufferung durch Ca2+-bindende Proteine sowie die Kompartimentierung zu räumlich beschränkten und sehr flüchtigen Messergebnissen. Insbesondere diese Komplexizität ist für die vielen Funktionen von Calcium verantwortlich. Aus diesem Grund untersuchen die beteiligten Arbeitsgruppen die kurzeitigen Änderungen in der Ca2+-Konzentration und deren Signalfunktion z.B. über Gq-gekoppelte Signalkaskaden im Zusammenhang mit der Physiologie und Pathophysiologie von Zellen, Organen und dem gesamten Organismus. Zu diesem Zweck kommen eine Reihe hoch entwickelter "real-time imaging" Methoden auf allen Organebenen (z. B. Herz, Gehirn) zum Einsatz.

 

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"Echtzeit"-Darstellung von Ca2+-Konzentrationen in Zellen

(Bildquelle: Prof. Dr. Peter Lipp und Dr. Lars Kästner)

 

Entschlüsselung von adaptiven und nicht-adaptiven Umgestaltungsprozessen im Herzen, die durch Membran-proteine reguliert werden
Herzerkrankungen machen in der westlichen Welt einen Großteil der Erkrankungen und der Sterblichkeit aus und stellen somit eine bedeutende Bedrohung der Volksgesundheit dar. Wir möchten die molekularen Ereignisse verstehen, die aufgrund von pathologischen Stimuli wie beispielsweise Bluthochdruck oder Ischämie zu Herzversagen führen, und zwar auf Organ-, Zell- und Molekülebene. Die zugrunde liegenden Signaltransduktionswege werden an der Zellmembran aktiviert und beinhalten G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, Rezeptor-Tyrosin-Kinasen, verschiedene traditionelle G-Proteine sowie G-Proteine der Rho-Familie mit kleinen Molekulargewichten, Ionenkanäle (einschließlich TRP-Kanälen und Transportern), "Adaptor"-Signal-Komplexe, Kinase- und Phosphatasen-Kaskaden sowie Transkriptionsfaktoren. Zur Aufkärung der Zusammenhänge werden wir einzelne Signalfaktoren in Mäusen inaktivieren ("knock-out" und "knock-in") und die jeweiligen Krankheitsmodelle analysieren.

 

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Transgene Mäuse als Krankheitsmodelle

(Bildquelle: Prof. Dr. Marc Freichel)

 

Rolle von Membran-Mikrodomänen bei neuro-degenerativen Erkrankungen
Amyloid precursor protein (APP), β-Secretase und Presenilin 1 befinden sich in Membran-Mikrodomänen ("lipid rafts"). Wir konnten zeigen, dass bestimmte Lipide zu einer Steigerung der Produktion von Aβ Peptiden führen, während eine Erniedrigung des Cholesterol-Spiegels in Tieren zu einer Reduktion der Aβ42-Konzentration im Gehirn führt. Diese Resultate führten 2002 zu einer klinischen Pilotstudie, in der gezeigt wurde, dass eine Erniedrigung des Cholesterol-Spiegels bei Alzheimer-Patienten zu einem Absinken der Aβ42-Konzentration im Gehirn führt und dass sich dieser Effekt positiv auf den Rückgang der Erkrankung auswirkt. Die aktuelle Forschung befasst sich mit möglichen Interaktionen zwischen dem Lipid-Stoffwechsel und -Transport sowie den Proteinen, die eine Rolle bei der Alzheimer-Erkrankung spielen (Aβ, Preseniline). Diese Proteine werden sowohl mit Hilfe von in vitro Systemen, als auch mit Hilfe transgener Mäuse analysiert.

 

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Analyse zellulärer Ultrastrukturen mittels Elektronenmikroskopie

(Bildquelle: Prof. Dr. Frank Schmitz)

 

Membranproteine im Zusammenhang mit der Entwicklung und dem Fortschreiten von Krebserkrankungen
Eine deregulierte Signalgebung über Membranen und Änderungen in dynamischen Membranprozessen (z.B. veränderte Expression von Ionenkanal-Proteinen oder Rezeptoren) sind für onkogene Transformationen verantwortlich oder haben diese als Konsequenz und können zur diagnostischen Tumorcharakterisierung oder für neue therapeutische Strategien herangezogen werden. Die genetische und epigenetische Reprogrammierung während der onkogenen Transformation führt zur Expression von Antigenen in der Zellmembran. Wir untersuchen Antigene, die in einem kausalen Zusammenhang zur Krebsursache oder zum Krankheitsbild stehen (obwohl es sehr schwierig ist, diese von solchen zu unterscheiden, die nicht in direktem Zusammenhang mit Krebs stehen, so z.B. Antigene, die durch bereits vorher vorhandene Auto-Antikörper detektiert werden können oder durch nekrotische Tumorprodukte bedingte Antigene). Um ein profundes Wissen über die komplexen Zusammenhänge von Genetik, Epigenetik und zellulärer Physiologie zu erlangen, bedarf es neuer methodischer und interdisziplinärer Anwendungen.

 

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Elektrophysiologische Messung an einer einzelnen Zelle mit Hilfe der Patch-Clamp-Technik

(Bildquelle: Prof. Jens Rettig)

 

Funktion und Regulation von Membranproteinen in der Angiogenese und microvasculäre Inoskulation in vivo
Die endogene Regeneration kranker Organe und in vivo Integration von ex vivo erzeugtem Gewebe ist von der Bildung neuer Gefäße sowie der mikrovaskulären Inoskulation einschließlich bestimmter dynamischer Membranprozesse abhängig. Wir untersuchen verschiedene molekulare Systeme in vivo, z. B. VEGF-VEGFR2, sdf-1-CXCR4 und Ang-2-Tie2 für die Angiogenese und Revaskularisierung sowie die Interaktion von beta-Integrinen und interzellulären Adhäsions-Molekülen der Immunoglobulin-Gen-Unterfamilie für die Bereitstellung und Zielgebung endothelialer Vorläuferzellen. Diese molekularen Interaktionen tragen zur Entwicklung mikrovaskulärer Netzwerke in dreidimensionalen ex vivo Kulturen und in vivo bei. Unsere derzeitige Arbeit befasst sich mit der Aufklärung von Regulation und Funktion der dynamischen Membranprozesse mit dem Ziel, die Funktionalität neu gebildeter vaskulärer Systeme zu steigern und mikrovaskuläre und parenchymale Konstrukte für eine Transplantation und Inoskulation korrekt zu fusionieren. Mit Hilfe der Technik des hochauflösenden Multi-Fluoreszenz "Real-time-imaging" wird die molekulare, zelluläre und mikrohämodynamische Funktionalität von konstruierten Geweben (Pankreas, Knochen, Parenchym, Haut) im Tiermodell untersucht.

 

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Total-Internal-Reflektions-Fluoreszenz(TIRF)-Mikoskopie

(Bildquelle: Dr. Ute Becherer)

 

Schließen der Lücken zwischen in vivo Signalwegen, molekularem Wirkstoff-Design, in vitro Tests und in vivo Therapien
Ungefähr zwei Drittel aller bekannten Angriffziele für Medikamente sind Membranproteine. Die beteiligten Arbeitsgruppen bilden eine Plattform zur zielorientierten Entwicklung neuer Wirkstoffe, die Membranproteine oder mit Membranen assoziierte Proteine betreffen. Basierend auf verfügbaren Röntgenstrukturanalysieren kombinieren wir virtuelles Screening mit molekularer Modellierung, gefolgt von der chemischen Synthese strukturell bekannter und viel versprechender Verbindungen. Alternativ werden solche Verbindungen auch mit Hilfe von "fluorescence-based high-throughput screens" identifiziert. Diese Verbindungen werden anschließend in verschiedenen zellulären und zellfreien Systemen, einschließlich Systemen, die das gereinigte rekombinante Zielprotein enthalten, auf ihre biologische Aktivität untersucht. Mit Hilfe dieser Methoden sind wir gerade dabei, antivirale Verbindungen zu entwickeln, die die Bindung des Hepatitis C Virus mit extrazellulären Loops des CD81 in Hepatocyten stören sowie antiproliferative steroidomimetische Wirkstoffe, die membrangebundene Enzme der Steroidhormon-Biosynthese hemmen.

 

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Messungen von Protein-Protein-Interaktionen: Plasmon-Resonanz-Spektroskopie (BIAcore)
(Bildquelle: Prof. Dr. Richard Zimmermann)

 

 

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