Arbeitsgebiete :

Struktur und Dynamik von Proteinfasern des Zytoskeletts (Mikrotubuli); zeitaufgelöste Röntgenbeugung von biologischen Polymerisationsprozessen und Oszillationen mit Synchrotronstrahlung; Struktur, Biochemie und Molekularbiologie von Tubulin, Mikrotubuli-assoziierten Proteinen, und Motorproteinen aus Nervenzellen; Proteinkristallographie, Elektronenmikroskopie, Bildverarbeitung; computer-gestützte Lichtmikroskopie von zellulären Bewegungs- und Transportprozessen; Rolle von Tau-Protein und der Proteinphosphorylierung in der Alzheimer-Krankheit und in Zellmodellen.

Aktueller Forschungsschwerpunkt :

(1)  Tau-Protein (en) und Alzheimerkrankheit: Das Tau-Protein ist ein Mikrotubuli-assoziiertes Protein (MAP), das bei der Differenzierung von Nervenzellen eine Rolle spielt, im pathologischen Zustand zu "paarigen helikalen Filamenten" (PHF) der Alzheimer-Krankheit aggregiert und dabei anomal phosphoryliert ist. Wir untersuchen die Enzyme (Kinasen, Phosphatasen), die die Phosphorylierung kontrollieren, die Regulation der Mikrotubuli-Dynamik durch das Tau-Protein, die Entstehung und die Struktur der Alzheimerfilamente. Die Suche nach der Ursache dieser pathologischen Aggregation zeigte, daß sie stark durch Oxidationsprozesse gefördert wird, die zur Vernetzung von Tau zu Dimeren führt, sowie durch negativ geladene Moleküle des Zytoplasmas, wie z. B. Ribonukleinsäuren. Daraus wurde ein spektroskopisches Verfahren entwickeln, um die Aggregation in vitro zu untersuchen und mögliche Hemmstoffe für die Aggregation zu testen. Parallel zur Aggregation wird Tau hoch phosphoryliert, was vermutlich zur Ablösung des Proteins von dem natürlichen Partner (Mikrotubuli) führt. Besonders stark wird die Bindung durch die  Proteinkinase MARK (en) beeinflußt. Es stellte sich heraus, daß diese Kinase nicht nur im Alzheimer-Gehirn vorkommt, sondern weit verbreitet ist und auch andere Mikrotubuli-assoziierte Proteine phosphorylieren kann. MARK gehört zu einer neuartigen Klasse von Proteinkinasen, die vermutlich an der Ausprägung und Aufrechterhaltung der Asymmetrie und Polarität von Zellen beteiligt sind. Die Überexpression von MARK in Zellen, oder die Anschaltung über einen induzierbaren Promoter (TET-System) führt zum Zerfall des Mikrotubuli-Zytoskeletts und in der Folge zum Zelltod. Hier könnte eine Verbindung zum neuronalen Zelltod in der Alzheimer-Demenz liegen, wo ebenfalls ein Verlust der Polarität von Neuronen beobachtet wird.

(2) Dynamik der Mikrotubuli, Phosphorylierung von MAPs, und Mitose: Im Gegensatz zu anderen Biopolymeren können Mikrotubuli stochastisch zwischen Phasen des Wachstums und des Zerfalls hin- und herwechseln; die Zelle benutzt diese Eigenschaft z. B. bei der Ausbildung der mitotischen Spindel. Die Dynamik läßt sich an einzelnen Mikrotubuli mit Hilfe der Videomikroskopie verfolgen. Wir haben untersucht, wie die dynamische Instabilität mit der Phosphorylierung von assoziierten Proteinen zusammenhängt. Wir haben dazu den Phosphorylierungsgrad von MAPs durch Phosphopeptidkartierung und monoklonale Antikörper über den Verlauf des Zellzyklus hinweg verfolgt und mit der Dynamik der Mikrotubuli korreliert. Dabei stellte sich heraus, daß endogene oder stabil transfizierte MAPs gerade während der Mitose hoch phosphoryliert werden und dabei von Mikrotubuli abfallen. Hier ist besonders eine Phosphorylierungsstelle bemerkenswert, die von der cAMP-abhängigen Kinase phosphoryliert wird und dazu führt, daß sich das Tau-Protein von den Mikrotubuli ablöst, so daß diese dynamischer werden können. Dieser Effekt wurde jetzt auch bei Zellen neuronalen Ursprungs gefunden. Die mitotische Phosphorylierung und die "anomale" Phosphorylierung in Alzheimer-Neuronen zeigen überraschende Ähnlichkeiten, die die man u. a. an "Alzheimer-ähnlichen" Antikörperreaktionen erkennen kann, sodaß man hieraus auf analoge Aktivierungsmechanismen von bestimmten Kinasen schließen könnte.

(3) Motorproteine: Für den Transport von Vesikeln in Nervenzellen sind "Motorproteine" verantwortlich, die an Mikrotubuli entlanggleiten. Wir untersuchen die Struktur und Motilität des  Motorproteins Kinesin (en), das aus einer krafterzeugenden Kopfdomäne und einer stäbchenförmigen Schwanzdomäne besteht. Die Schwanzdomäne dimerisiert über eine "coiled-coil"-Wechselwirkung. Es gelang erstmals, ein Motorprotein in seinem funktionellen dimeren Zustand zu kristallisieren und durch Röntgenstrukturanalyse mit Synchrotronstrahlung aufzuklären. Die Struktur zeigt zwei  Motor-Domänen eines Kinesin-Dimers (en), bestehend jeweils aus einem zentralen ß-Faltblatt und flankierenden a-Helices, sowie einer Bindungsstelle für das Nukleotid (ATP). Die Nukleotidbindungsstelle zeigt Ähnlichkeiten mit anderen ATP- oder GTP-bindenden Proteinen (z. B. den signalübertragenden G-Proteinen oder dem Muskelprotein Myosin). Bemerkenswert ist, daß der Molekülkomplex zwei verschiedene Symmetrien enthält: Die Schwanz-Helices sind um 180° gedreht, die Köpfe um 120°. Diese Form des Moleküls paßt nicht zur Symmetrie der Mikrotubuli, auf denen das Kinesin entlanggleitet. Man muß daher annehmen, daß es bei der Bewegung zu erheblichen Konformationsänderungen kommt, die von der ATP-Hydrolyse des Kinesins vorangetrieben werden.

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