Fachbereich 13 - Biologie
Institut für Allgemeine Zoologie und Genetik
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 uwandeln können. 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 (Köhler und Bähler, in Vorbereitung). 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:

DFG Schwerpunktprogramm "Molekulare Motoren"

Beteiligte Wissenschaftler:

Prof. Dr. M. Bähler (Leiter), Dr. D. Köhler, Dr. V. Nalavadi, Dr. U. Pieper, Dipl. Biol. C. Bertolini

Veröffentlichungen:

Gillespie, P.G., Albanesi, J.P. Bähler, M et al.: Myosin I nomenclature. J. Cell Biol. 155: 703-704 (2001)

Bähler, M. and Rhoads, A.: Calmodulin signaling via the IQ-motif. FEBS Letters, 513(1):107-113 (2002)

Köhler, D., Ruff, C., Meyhöfer, E., and Bähler, M.: Different degrees of lever arm rotation control myosin step size. J. Cell Biol., in press (2003)