Molekulare Zellbiologie (Prof. Dr. M. Bähler)
Funktionsprinzipien und Eigenschaften von Motormolekülen
In den vergangenen Jahren hat es sich gezeigt, dass eukaryontische Zellen eine Vielzahl verschiedener
Motormoleküle besitzen, die chemische Energie, die sie aus der Hydrolyse von ATP gewinnen, in
gerichtete mechanische Kraft entlang der Zytosklettfaser Aktin umwandeln. Diese Motormoleküle
können zu einer Proteinfamilie, den sogenannten Myosinmolekülen, zusammengefasst werden.
Sie dienen vielfältigen zellulären Funktionen und sind dementsprechend für ihre jeweilige
Funktion optimiert. Trotzdem ist der Mechanismus der chemo-mechanischen Energieumwandlung konserviert.
Wir untersuchen die Grundprinzipien der chemo-mechanischen Energieumwandlung und wie die
Motoreigenschaften wie Geschwindigkeit, Kraft, Bewegungsrichtung, Schrittlänge, Prozessivität,
Regulation und bisher noch unbekannte Eigenschaften bestimmt werden. Dazu haben wir verschiedene
Expressionssysteme etabliert, mit deren Hilfe wir Myosinmoleküle zur biochemischen und
biophysikalischen Charakterisierung gewinnen können.
In Zusammenarbeit mit Dr. E. Meyhöfer (MH Hannover)
gelang es uns zu zeigen, dass der Kraftschlag des Myosin 1D Moleküls auf der Bewegung der
“leichte“ Kette-Bindungsdomäne beruht, die wie ein Hebelarm funktioniert.
Myosin 1D weist eine unerwartet große Schrittlänge auf, die durch eine größere
Rotation und Winkeländerung des Hebelarms als bei bisher charakterisierten Myosinmolekülen
beruht. Unsere Resultate demonstrieren, dass Unterschiede in der Schrittlänge verschiedener
Myosinmoleküle sowohl von der Länge des Hebelarms als auch von Unterschieden im Grad der
Rotation des Hebelarms abhängen. Diese zwei Parameter reichen aus, um alle bisher bei
Myosinmolekülen gemessenen Schrittlängen zu erklären.
Der Hebelarm der Myosinmoleküle
ist nicht nur ein simples, passives, mechanisches Element, sondern er dient auch regulatorischen Funktionen.
Myosin 1D besitzt zwei leichte Ketten, die identisch sind mit dem Ca2+-bindenden Protein Calmodulin. Die
aktin-aktivierte ATPase Aktivität von Myosin 1D wird durch die Bindung von Ca2+ an Calmodulin
gehemmt. Diese Hemmung wird durch die Bindung von Ca2+ an die C-terminale Region des
Calmodulinmoleküls, das an die “erste“ Bindestelle gebunden ist, verursacht. Ein
Austausch der zwei Calmodulin-Bindestellen in Myosin 1D erlaubte den Nachweis, dass die zwei Calmodulin
Moleküle auf unterschiedliche Art gebunden werden. Diese Befunde tragen einerseits zu einem besseren
Verständnis der Bindung von Calmodulin an sogenannte IQ-Motive bei und andererseits helfen sie, die
Regulation von Myosinmolekülen aufzuklären.
In einem weiteren
Projekt untersuchen wir, wie ein Myosinmolekül mit nur einer Motordomäne (Myosin 9b) eine
größere Anzahl von Schritten entlang der Aktinfaser machen kann, ohne beim Loslassen nach
jedem Schritt abzufallen. Unsere bisherigen Ergebnisse zeigen, dass dafür ein neuartiger Mechanismus
verantwortlich sein muss. Unsere Arbeitshypothese geht davon aus, dass eine für dieses Myosin
spezifische Insertion in der Motorregion dafür verantwortlich ist. In diesem Projekt arbeiten wir mit den
Arbeitsgruppen von PD Dr. R. Schröder (MPI Heidelberg) und Prof. Dr. M.A. Geeves (University of
Kent, UK) zusammen.
Die genaue Kenntnis der Motoreigenschaften
und der Regulationsmechanismen der Motoraktivität ist unabdingbar für das Verständnis
der zellulären Funktionen der Myosinmoleküle.
Drittmittelgeber:
Beteiligte Wissenschaftler:
Veröffentlichungen:
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