Ehemalige Gruppen

Membranbiophysik

Ziel des Projekts ist das Studium der Wirkung membranaktiver prokaryontischer Toxine sowie des Transports bakterieller Toxine in eukaryontische Zielzellen. Normalerweise ist der Transport von Proteinen über Membranen sehr kompliziert und bedarf verschiedener Komponenten und auch Energie in Form von Membranpotentialen und von ATP. Dagegen ist der Transport von prokaryontischen Toxinen in eukaryontische Zielzellen sehr einfach und benötigt nur ein oder zwei Proteine und keine Energie. Membranaktive Toxine besitzen wasserlösliche Vorstufen, die häufig Kanäle in Membranen bilden können.

Die Wirkung als Kanal- oder Porenbildner in der Cytoplasmamembran eukaryontischer Zielzellen setzt eine massive Strukturänderung voraus, die in vielen Fällen nicht verstanden ist. Kanalbildung ist entweder eine Funktion des Toxinmoleküls selbst, das heißt, es enthält auch die Transportfunktion, oder sie ist auf einem zweiten Teil des Toxins, der Bindekomponente B lokalisiert. Beispiele für diese A-B Toxine sind Clostridium botulinum C2-Toxin and Clostridium perfringens Iota Toxin. Die A-Komponente dieser Toxine ist eine ADP-Ribosyltransferase, die das Aktin-Zytoskelett der Zellen zerstört. Sie wird mit Hilfe der B‑Komponente in die Zielzelle transportiert. 

Anthrax Toxin von Bacillus anthracis ist ein weiteres Beispiel für ein A-B Toxin. Hier ist die B-Komponente als Protective Antigen (PA) bekannt. Anthrax hat zwei enzymatische Komponenten (A1 und A2), die jede für sich lethal für Zellen sind: den Edema factor (EF; eine Calcium und Calmodulin-abhängige Adenylat-Zyclase) und den Lethal factor (LF; der eine hoch spezifische Zink-Metalloprotease darstellt). Der Mechanismus des Transports bakterieller Toxine in eukaryontische Zielzellen ist immer noch nicht voll verstanden. Allerdings ist klar, dass zur Entfaltung ihrer mannigfachen toxischen Wirkung im Innern der Zielzelle diese Toxine als Ganzes oder wenigstens ihre katalytischen Domänen über die Cytoplasmamembran transportiert werden müssen, die normalerweise für Proteine dieser Größe völlig impermeabel ist.

Im Projekt sollen Funktion und Pharmakologie dieser Transportsysteme für Toxine näher untersucht werden. Dabei war und ist von großem Interesse ob die einzelnen Systeme sich beim Proteintransport ähnlicher Mechanismen bedienen oder ob diese für die einzelnen Toxine verschieden sind. In der Arbeitsgruppe werden neben dem Toxintransport auch andere membranaktive Moleküle mit Hilfe der Methode der künstlichen Bilayer Membranen untersucht.

Strukturelle Untersuchung der Proteinsynthese

Das Hauptaugenmerk unserer Gruppe liegt auf der Visualisierung des Proteinsynthese-Apparates. Dabei untersuchen wir auf atomarer bzw. molekularer Ebene Ribosomen, welche als Protein-RNA-Komplex vorliegen. Ribosomen sind ausgesprochen wichtig, da sie zum einen alle Proteine synthetisieren, welche die Zelle oder der Organismus benötigen, und weil sie zum anderen als Angriffspunkt verschiedener Antibiotika dienen. Bakterielle Ribosomen unterscheiden sich in ihrer Struktur deutlich von Ribosomen höherer Organismen. Diese strukturellen Unterschiede ermöglichen es, das manche Antibiotika ausschließlich prokaryotische Ribosomen angreifen und inhibieren, wohingegen die humanen Ribosomen unbeeinträchtigt bleiben.

Ein besseres Verständnis dieser Mechanismen wäre vorteilhaft sowohl für die Grundlagenforschung als auch für den Kampf gegen krankheitsverursachende Bakterien. Wir wenden hauptsächlich die Kryo-Elektronenmikroskopie an, um die Struktur verschiedenster funktionaler Zustände des Ribosoms während der Translation zu bestimmen

Molecular Virology

Kardiale Schlüsselproteine

Die Herzmuskelschwäche gehört zu den häufigsten Todesursachen in den westlichen Industrieländern. Trotz moderner medikamentöser Therapie überlebt die Hälfte der Patienten die ersten fünf Jahre nach Ausbruch der Erkrankung nicht. Damit bewegt sich die Sterblichkeit im Bereich bösartiger Tumore. Neue Therapiemöglichkeiten müssen daher dringend entwickelt werden.

Unsere Arbeit konzentriert sich auf die dieser Erkrankung zugrunde liegenden zellulären Mechanismen. Besonders interessiert uns das bei einer Herzinsuffizienz frühzeitig auftretende pathologische Wachstum von Herzmuskelzellen (Hypertrophie) und die vermehrte Bildung von Bindegewebe im erkrankten Herzen (Fibrose). Wir konnten eine Reihe von Proteinen identifizieren, die Hypertrophie von Herzmuskelzellen stimulieren oder inhibieren. Durch die Kombination transgener Mausmodelle mit molekular- und zellbiologischen Methoden versuchen wir, den Wirkmechanismus dieser Proteine aufzuklären und damit neue Strategien zur Therapie der Herzmuskelschwäche zu entwickeln. 

RNA-Metabolismus und neuronale Krankheiten

Die Herstellung von eukaryontischen mRNAs und deren Translation in Proteine hängt ganz entscheidend vom Zusammenspiel einer großen Anzahl trans-agierender Faktoren ab. Diese Faktoren sind häufig in funktionellen Einheiten, auch "molekulare Maschinen" genannt, organisiert, welche sowohl die Schritte des mRNA Metabolismus katalysieren als auch zeitlich miteinander koordinieren.

Unsere Gruppe untersucht die Funktion und Dynamik von Schlüsselkomponenten des mRNA-verarbeitenden Apparates, wobei wir biochemische, zellbiologische und strukturbiologische Analysetechniken miteinander kombinieren. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Untersuchung der Spleißmaschinerie (Spleißosom) und seinen Assemblyfaktoren (SMN- und PRMT5-Komplex), und dem Ribosom, welches für die Translation der mRNAs in Proteine verantwortlich ist.

Darüber hinaus interessieren wir uns für die Frage, wie es durch Defekte im mRNA Metabolismus zu menschlichen Krankheiten kommt. Die molekulare Analyse der Augenkrankheit Retinitis pigmentosa und der neuromuskulären Krankheit spinale Muskelatrophie stehen hier im Vordergrund.

Molekulare Zelldynamik

Kontaktdaten

Prof. Dr. med. Peter Friedl

seit Oktober 2007 Lehrstuhlinhaber für Mikroskopisches Imaging der Zelle am Nijmegen Centre for Molecular Life Sciences

E-Mail: P.Friedl@ncmls.ru.nl     

Weitere Informationen: http://www.rimls.nl/people/f/friedl/

Kontaktdaten

Prof. Dr. Antje Gohla

Professur für Biochemische Pharmakologie 
am Lehrstuhl für Pharmakologie (Leiterin)
Universität Würzburg
Versbacher Str. 9
97078 Würzburg, Germany

Tel.:     +49 931 31-80099
Fax:     +49 931 31-48539
E-Mail: antje.gohla@uni-wuerzburg.de

Laborseite

Mitarbeiter

Molekulare Mikroskopie

Eine wachsende Anzahl von Fragestellungen in der Molekular- und Zellbiologie beruht darauf, einzelne Proteine und Nukleinsäuren darzustellen und ihre Funktion zu untersuchen. Will man einzelne Moleküle mikroskopisch darstellen, darf die Anzahl der Proteine in der Membran nicht zu hoch sein. Nur so ist es möglich, die Moleküle und ihre Zustände einzeln aufzulösen und keinen Mittelwert zu detektieren. Man verzichtet daher auf die Überexpression der Proteine und bewegt sich im Bereich des natürlichen Vorkommens. 

Unser Ziel ist es, diese Einzelmolekül-Detektion in Zellen in vivo und in der intrazellulären Analyse in Würzburg zu ermöglichen und damit auch zu einer zielgerichteteren Entwicklung pharmakologischer Wirkstoffe beizutragen. Wir wollen die Techniken der Einzelmolekül-Mikroskopie kontinuierlich verbessern, die Genauigkeit erhöhen und so das Anwendungsspektrum erweitern. Die so entwickelten Techniken wenden wir in unserer Arbeitsgruppe zum Beispiel auf fluoreszenzmarkierte Ionenkanäle an. Darüber hinaus beschäftigen wir uns mit Rezeptor-Proteinen und der Zellsignalübertragung. Insbesondere den Zytokinen und G-Protein-gekoppelten Rezeptoren gilt dabei unser Interesse.

Architektur von Synapsen

Die Signalübertragung von einer Nervenzelle auf eine Rezipientenzelle (z.B. eine weitere Nervenzelle, eine Muskelzelle) findet an speziellen Kontaktstrukturen, den Synapsen, statt. Ein spezialisierter Bereich der Nervenzelle, die präsynaptische Aktivzone, setzt dazu in einem Ca²⁺-abhängigen Prozess Neurotransmitter frei. Diese chemischen Mediatoren übertragen den Nervenimpuls auf Rezeptoren an der postsynaptischen Membran.

Wie genau sich die synaptischen Bestandteile zusammensetzen und ihre Funktion koordinieren ist Gegenstand intensiver Forschungen. Durch die genetische Anaylse der Fruchtfliege Drosophila konnten wir einen Hauptorganisator der präsynaptischen Aktivzone identifizieren: ein Protein, das wir Bruchpilot getauft haben. Ohne Bruchpilot ist die Aggregat-Bildung der präsynaptischen Kalziumkanäle gestört und die Freisetzung von Neurotransmittern stark reduziert.

Wir wollen die Architektur der Aktivzonen durch die Analyse von Synapsen der Modellorganismen Fliege und Maus aufklären. Dazu kombinieren wir genetische und biochemische Analysemethoden mit einer neuen Errungenschaft der Lichtmikroskopie: der Stimulierten Emissions Mikroskopie (STED). STED steigert die Auflösung der Fluoreszenzmikroskopie um ein Vielfaches und enthüllt bisher nicht auflösbare Substrukturen der molekularen Architektur der Synapsen. So wollen wir Erkenntnisse auf den Gebieten von Lernen und Gedächtnis, wie auch von degenerativen Erkrankungen des Nervensystems gewinnen.

Signalprozesse entzündungsfördernder Zytokine

Eine fehlgesteuerte Zytokin-Signaltransduktion wird heute als Ursache einer Reihe schwerwiegender Erkrankungen angesehen. Dazu gehören chronische Entzündungserkrankungen (Arteriosklerose, rheumatoide Arthritis, Morbus Crohn und Multiple Sklerose), Autoimmunerkrankungen (Typ I-Diabetes) und Krebs. Daher ist ein fundiertes Verständnis der Spezifität einer ausgelösten Zytokin-Signaltransduktion unerlässlich, um spezifischere therapeutische Ansätze zu entwickeln und gesundheitsschädliche Nebenwirkungen von Medikamenten zu verhindern.

Zytokine gehören zu den löslichen immunmodulierenden Proteinen, die von einer Reihe Gewebe- und Immunzellen sezerniert werden können. Viele Zytokine vermitteln ihre Signale über gemeinsam genutzte Zelloberflächenrezeptoren, die multi-molekulare Komplexe ausbilden, bestehend aus Liganden-spezifischen und Signal-transduzierenden Rezeptoruntereinheiten. Dies erklärt warum einige Signaltransduktionskaskaden von mehreren Zytokinen aktiviert werden, lässt jedoch die Frage unbeantwortet wie Signalspezifität erreicht werden kann.

Mit Hilfe der Familie der Interleukin-6-Typ Zytokine als Modellsystem untersucht unsere Arbeitsgruppe die räumliche und zeitliche Auflösung der Zytokinrezeptor-Signaltransduktion und wie diese durch cross-talk Mechanismen beeinflusst wird. Mittels klassischer proteinbiochemischer /zellbiologischer Methoden sowie konfokaler Laserscanning-Mikroskopie wollen wir verstehen wie der intrazelluläre Transport von Zytokinrezeptoren deren Signalspezifität beeinflusst und welche molekularen Mechanismen für den Transport einzelner Zytokinrezeptoren in verschiedene intrazelluläre Kompartimente verantwortlich sind. Genetisch veränderte Mauslinien sollen uns helfen, die physiologische Relevanz unserer Befunde zu untermauern.

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren

Der Schwerpunkt unserer Arbeiten liegt in der Erforschung der Mechanismen zur Aktivierung und Deaktivierung von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR). Insbesondere im Vordergrund des Interesses stehen dabei die Entwicklung neuer Verfahren zur Untersuchung dieser Mechanismen in Echtzeit und lebenden Zellen. Dazu werden FRET-basierte Sensoren für GPCRs entwickelt, die es erlauben Konformationsänderungen dieser Rezeptoren mit einer zeitlichen Auflösung im Millisekundenbereich zu messen. Mit Hilfe solcher Methoden können Liganden direkt am Rezeptor untersucht werden. Dadurch können die Effekte potentieller Arzneimittel an diesen Proteinen im Detail studiert werden und mit Effekten auf nachgeschaltete Signalwege korreliert werden. 

Da die Rezeptordeaktivierung die Dauer eines Signals regulieren kann, ist die Deaktivierung eines GPCRs ebenfalls von großem Interesse. Hier liegt der Schwerpunkt unserer Arbeiten insbesondere auf der Interaktion von Rezeptoren mit Proteinen der β-Arrestin Familie und der Regulation dieser Interaktion. Hier wird die Frage untersucht, inwiefern bestimmte Proteindomänen oder potentielle Phosphorylierungstellen des Rezeptors die Interaktion mit β-Arrestinen beeinflussen bzw. vermitteln. Da β-Arrestine allerdings nicht nur die Abschaltung eines Rezeptors vermitteln, sondern ebenfalls selbst Ausgangspunkt einer neuen Signalkaskade sein können, interessiert uns ebenfalls die Fragestellung, ob es potentielle Arzneimittel gibt, die eine so genannte funktionelle Selektivität aufweisen und gezielt nur diesen neuen Signalweg anschalten ohne den klassischen Signalweg über G-Proteine zu stimulieren. 

Ein weiteres Interessensgebiet ist die Weiterentwicklung von Verfahren zur  Fluoreszenzmarkierung von Proteinen, insbesondere die Tetracystein-biarsenical-Tag-Methode steht hier im Vordergrund. Hier sollen neue Varianten der genetisch kodierten Aminosäure Sequenzen auf ihr Bindungsverhalten von FlAsH oder ReAsH getestet werden, sowie mögliche neue Farbvarianten entwickelt werden.

T-Zellen-Oberflächenproteine

Eines der Hauptziele der Immunologie ist es, die Entstehung von Autoimmunkrankheiten zu verstehen. Vor zehn Jahren führten Studien an einer tödlichen Autoimmunerkrankung in einem Mausstamm zur Entdeckung einer einzigartigen T-Lymphozyten-Population, die die Immunantwort hemmt. In der Zwischenzeit wurde bestätigt, dass diese regulatorischen T-Zellen (T_Reg oder T-Suppressorzellen) eine wichtige Rolle spielen – sowohl bei der Autotoleranz als auch bei der Vorbeugung übertriebener Immunantworten auf fremde Antigene.

Dennoch gibt es beträchtliche Lücken in unserem Verständnis von T_Reg, zum Teil aufgrund der fehlenden Marker zur Aufreinigung dieser Zellen. Alle Proteine der Zelloberfläche, die derzeit zur Identifizierung der T_Reg-Zellen beitragen, werden auch auf anderen T-Zellenarten exprimiert. Der zuverlässigste Marker von regulatorischen T-Zellen ist der Transkriptionsfaktor Foxp3, doch als Zellkernprotein ist er leider kein passender Marker für die Aufreinigung und Manipulation lebensfähiger T_Reg-Zellen.

Unser Ziel ist es, einzelne Oberflächenmarker von regulatorischen T-Zellen mittels zweier Methoden zu identifizieren: Durch die Herstellung monoklonaler Antikörper gegen T_Reg-Zellen und durch den Vergleich der Membranproteome der T_Reg-Zellen mit normalen T-Zellen. 

Neutralisierende Zyklopeptide gegen kardiostimulatorische ß1-Adrenorezeptor-Antikörper

Herzinsuffizienz zählt zu den häufigsten Erkrankungen und Todesursachen in Deutschland und anderen Industrieländern. Lässt die Förderleistung des Herzens nach, wird der Körper nicht mehr ausreichend mit Blut versorgt. Neue Erkenntnisse aus Klinik und Forschung deuten (neben den komplexen hierbei involvierten hormonellen Mechanismen) auf eine wichtige Rolle von Autoimmun-Prozessen bei der Pathophysiologie des Herzversagens hin: Bei 15-30% der Patienten scheinen Auto-Antikörper, welche Beta1-adrenerge Membranrezeptoren stimulieren, an der Entstehung und dem Verlauf der Erkrankung beteiligt zu sein. 

Wir konnten kürzlich an Ratten zeigen, dass spezifische stimulierende Antikörper gegen die zweite extrazelluläre Domäne des Beta1-Rezeptors (Anti-beta1-ECII) tatsächlich eine Herzerweiterung und fortschreitendes Herzversagen auslösen können. Neue Beta1-ECII-homologe Zyklopeptide (Beta1-ECII-CP), die dazu entworfen wurden zirkulierende Rezeptor-Antikörper zu neutralisieren, verhinderten nicht nur die Antikörper-induzierte Herzerweiterung und das Herzversagen, sondern konnten den Prozess sogar umkehren. Nach 4-5 Injektionen verursachten die Zyklopeptide einen signifikanten Rückgang und letztlich einen Stopp der Nachproduktion von Anti-Beta1-ECII Antikörpern – trotz fortgesetzte Stimulation mit dem Immunogen. Die GoBio-Förderung diente zunächst der Weiterentwicklung unserer neuen Strategie für die Behandlung der Herzinsuffizienz mit Zyklopeptiden. Wir untersuchen in diesem Rahmen die genauen kardioprotektiven und immunlogischen Effekte optimierter Zyklopeptid-Varianten und –Mutanten mit Hilfe verschiedener Applikations-Schemata und mit Hilfe alternativer Herzinsuffizienz-Modelle. 

Daneben entwickeln wir eine neue Fluoreszenz-basierte Screening-Strategie für den spezifischen Nachweis solcher stimulatorischen Antikörper. Hierzu setzten wir einen neuen, hoch sensitiven und spezifischen fluoreszierenden cAMP-Sensor ein, der die Visualisierung und Quantifizierung des rezeptorvermittelten Anstiegs von cAMP in den Zellen mittels Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer (FRET) erlaubt. Bei diesem neuen diagnostischen Verfahren dienen die Rezeptor-Zyklopeptide dazu, die Spezifität der Anti-Beta1-ECII-vermittelten Rezeptoraktivierung nachzuweisen bzw. zu blockieren. Die entwickelten Strategien und Mittel zur Diagnose und Therapie der Autoimmun-Kardiomyopathie sind durch Patente geschützt und dienten als Grundstein für die Gründung des Biotech-Unternehmens Corimmun GmbH.

Signalprozesse von Immunzellen

Das Erkennen und Beseitigen von Krankheitserregern ist die Hauptfunktion unseres Immunsystems. Für diese Aufgabe werden spezielle Immunzellen benötigt, die ein breites Spektrum an Antigenen erkennen. Obwohl es Mechanismen gibt, die eine Immunantwort auf harmlose und körpereigene Antigene verhindern, entwickelt ein signifikanter Prozentsatz der Bevölkerung Autoimmun-Krankheiten.

Unsere Arbeitsgruppe versucht die genetischen Polymorphismen (Genvariationen innerhalb einer Population), die für Autoimmunerkrankungen anfällig machen, zu verstehen und aufzudecken, welche der regulatorischen Mechanismen bei einer solchen Erkrankung versagen. Dafür schalten wir Zielgene in Modellorganismen vor allem mittels RNA-Interferenz (RNAi) nach lentiviralem Gentransfer konstitutiv aus. Nachdem wir diese Technik in dem am meisten verbreiteten Modell für Diabetes Typ I etabliert haben, verfeinern wir sie nun, um sie vielseitig anwendbar und gleichzeitig spezifischer für die Untersuchung von Immuntoleranzen zu machen. Mit dem Verständnis der genetischen Faktoren und funktionellen Signalwege, die in Autoimmunerkrankungen involviert sind, wollen wir Entwicklungen neuer therapeutischer Ansätze ermöglichen.

Signalprozesse von Rezeptoren

Die zyklischen Nukleotide zyklisches AMP (cAMP) und zyklisches GMP (cGMP) gehören zu den verbreitetsten intrazellulären Botenstoffen. Ihre Entdeckung und die ihrer Signalwege in den 1950er und 1960er Jahren führte erstmals zum Konzept von intrazellulären Signalwegen und sekundären Botenstoffen. cAMP und cGMP werden auf multiple Stimuli hin produziert, beeinflussen verschiedene intrazelluläre Proteine und regulieren zahlreiche biologische Funktionen.

Trotz ihrer enormen Bedeutung ist nur wenig über die zeitlichen und räumlichen Muster ihrer Bildung und Wirkweise bekannt. Um die Bedeutung von Raum und Zeit bei diesen Signalprozessen zu verstehen, entwickeln wir Methoden, mit denen wir die sekundären Botenstoffe in intakten Zellen bildlich darstellen und räumlich wie zeitlich aufgelöst analysieren können.

Liganden-Rezeptor Erkennung

Der Mensch ist mehr als die Summe seiner Gene – das hat die Entschlüsselung des menschlichen Genoms deutlich gezeigt. Wie die Vielzahl verschiedener Signalprozesse in den Zellen trotz relativ weniger Gene erreicht wird, wollen wir durch die Analyse von Biomolekül-Interaktionen untersuchen. Bisher hat man Protein-Protein-Interaktionen streng nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip interpretiert. Neue Daten weisen dagegen immer stärker darauf hin, dass Proteine meist mehr als nur einen Bindungspartner haben. Wird ein Reaktionsschritt von verschiedenen Proteinen durchgeführt, sichert das wichtige Signalwege ab und auch die Diversität der Signalprozesse kann durch die eingeschränkte Spezifität erhöht werden.

Wir untersuchen zwei Proteinfamilien von Sekretionsfaktoren mit Methoden der Strukturbiologie: die Cytokine IL-4, -5 und -13, die bei allergischen Erkrankungen und Asthma eine Rolle spielen, und die Bone Morphogenetic Proteine, die wichtige Regulatoren in der Embryonalentwicklung, in der Organ- und der Gewebehomöostase sind. Beide Proteinfamilien sind erstklassige Beispiele für die Liganden-Rezeptor Promiskuität. Wenn wir verstehen, wie ein Ligand mit mehreren verschiedenen Rezeptoren interagiert, erhalten wir wichtige Einblicke in die Bildung und Modulation der Bindespezifität von Proteinen auf molekularem Level.

Posttranslationelle Genregulation

Ob sich ein Individuum zu Mann oder Frau entwickelt, hängt von dem embryonalen Prozess der Geschlechts-Determination ab. Schon früh in der Entwicklung wird ein undifferenziertes Gonadenprimordium gebildet, das sich entweder zu einem Hoden oder einem Eierstock entwickeln kann. Diese Organe wiederum produzieren die männlichen bzw. weiblichen Hormone, welche die weitere für Männer oder Frauen typische Differenzierung induzieren. Die Geschlechtsbestimmungs-Kaskade, eine hierarchisch strukturierte Kaskade von Genaktivitäten, initiiert diese Weichenstellung der Entwicklung.

Bei Menschen und den meisten Säugern steht das SRY-Gen, eines der wenigen Gene auf dem Y-Chromosom, als Hauptregulator an der Spitze dieser Kaskade. Seine Anwesenheit initiiert die männliche Entwicklung. Organfehlbildungen, Geisteskrankheiten bis hin zur teilweisen oder vollständigen Geschlechtsumkehr sind die ernsten pathologischen Konsequenzen von Störungen der Geschlechtsbestimmung.

Im Gegensatz zu den meisten anderen Entwicklungsprozessen ist das regulierende Netzwerk sowie die molekulare Funktion der Komponenten der geschlechtsbestimmenden Kaskade kaum verstanden. Bei allen anderen Kontrollprozessen der Entwicklung sind die Gene an der Spitze einer solchen Kaskade normalerweise hoch konserviert, während die folgenden Komponenten variabel und meist für die speziesspezifische Realisierung des genetischen Programms (den so genannten Phänotyp) verantwortlich sind. Überraschenderweise ist die Situation bei der geschlechtsregulierenden Kaskade genau umgekehrt: Gene an der Kaskadenspitze, wie SRY, sind evolutionär gesehen instabil, können verloren gehen und sich in verschiedenen Gruppen von Organismen unterscheiden. Die Downstream-Gene dagegen sind konserviert, sogar zwischen Fliegen, Würmern und Menschen.

Wir wollen zu einem besseren Verständnis der Regulation und Funktion der geschlechts-determinierenden Kaskade beitragen und die evolutionären Kräfte zur Bildung der hohen Variabilität der primären geschlechtsbestimmenden Mechanismen verstehen lernen.

Entzündungs- und Tumorbiologie

Die Einwanderung von weißen Blutzellen, so genannten Leukozyten, aus dem Blutstrom ins Gewebe ist ein zentraler Schritt bei der Entstehung von Entzündungen, die in sämtlichen Organen auftreten können. Wir untersuchen molekulare Mechanismen, die diese Leukozyten-Einwanderung vermitteln. Dabei interessieren uns einerseits die sehr frühen Ereignisse, wenn Leukozyten erstmals mit der Gefäßwand kommunizieren, andererseits auch die späten Schritte, wenn Leukozyten mit den Zellen der Gewebe, in die sie einwandern, interagieren. Wir wollen lernen, welche Rolle bestimmte Adhäsionsmoleküle als "molekulare Klebstoffe" bei Entzündungsprozessen spielen und wie man diese Moleküle hemmen kann, um entzündliche Erkrankungen ganz gezielt zu behandeln.

In einem zweiten Forschungsschwerpunkt untersuchen wir die Biologie bösartiger Tumore. Hierbei interessiert uns besonders, wie wir die Fähigkeit von Tumorzellen, den programmierten Zelltod (Apoptose) einzuleiten, wiederherstellen können. Viele Tumorzellen haben diese Fähigkeit verloren und können deshalb ungehemmt wachsen. Wir verwenden für unsere Untersuchungen verschiedene Substanzen, die neue Wege in der Tumortherapie eröffnen könnten.

Struktur und Funktion der BMP-Rezeptoren

„Bone morphogenetic“ Proteine (BMPs) und BMP-ähnliche Proteine sind Schlüsselregulatoren der Organentwicklung und Geweberegeneration. Fehlregulationen von BMP-Signalwegen können unter anderem zur Tumorbildung, zu kardiovaskulären und urogenitalen Erkrankungen und zu Skelettmuskelkrankheiten führen. Wir wollen verstehen, wie die BMPs ihre Rezeptoren binden und aktivieren und wie sie durch extrazelluläre Modulatoren reguliert werden. Dazu untersuchen wir sowohl die Struktur der Liganden-Rezeptor-Komplexe, als auch die energetischen und kinetischen Prozesse bei der Interaktion von BMPs mit ihren Rezeptoren und Modulatoren. Wir erzeugen BMPs, die Mutationen in familiären Erkrankungen nachahmen und die für den Einsatz in der regenerativen Medizin und bei Skelettmuskelerkrankungen geeignet sind.

Funktionelle Proteomics-Analyse

Massenspektrometrie hat sich in den letzten Jahren zu einer Schlüsseltechnologie im Bereich Proteomics entwickelt. Will man komplexe Proteingemische analysieren, trennt man die einzelnen Eiweiße mit 2D-Gelelektrophorese und identifiziert dann die einzelnen Proteinspots mit massenspektrometrischen Methoden. Hierbei können kleinste Mengen an Peptiden effizient detektiert und Proteine identifiziert werden. In Kombination mit miniaturisierter Hochleistungs-Flüssigchromatographie (nano-HPLC) ist es darüber hinaus möglich, komplexe Peptidmischungen zu analysieren.

Der Abschluss vieler Genomprojekte und die fortlaufende Arbeit an Proteomics-Projekten lässt Proteinmodifikationen immer mehr in den Fokus des allgemeinen Interesses treten. Vermutlich sind Modifikationen wie z. B. Phosporylierungen und Glykosylierungen an jedem zweiten Protein zu finden. Sie spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen biologischen und biochemischen Stoffwechselwegen wie z.B. der Signaltransduktion oder der Zell-Zell-Erkennung. Zur Identifizierung der beteiligten Proteine muss neben den etablierten Gel-basierten Verfahren zusätzlich eine große Anzahl massenspektrometrischer Technologien und HPLC-Methoden eingesetzt werden.

Architektur von Synapsen

Die Signalübertragung von einer Nervenzelle auf eine Rezipientenzelle (z.B. eine weitere Nervenzelle, eine Muskelzelle) findet an speziellen Kontaktstrukturen, den Synapsen, statt. Ein spezialisierter Bereich der Nervenzelle, die präsynaptische Aktivzone, setzt dazu in einem Ca²⁺-abhängigen Prozess Neurotransmitter frei. Diese chemischen Mediatoren übertragen den Nervenimpuls auf Rezeptoren an der postsynaptischen Membran.

Wie genau sich die synaptischen Bestandteile zusammensetzen und ihre Funktion koordinieren ist Gegenstand intensiver Forschungen. Durch die genetische Anaylse der Fruchtfliege Drosophila konnten wir einen Hauptorganisator der präsynaptischen Aktivzone identifizieren: ein Protein, das wir Bruchpilot getauft haben. Ohne Bruchpilot ist die Aggregat-Bildung der präsynaptischen Kalziumkanäle gestört und die Freisetzung von Neurotransmittern stark reduziert.

Wir wollen die Architektur der Aktivzonen durch die Analyse von Synapsen der Modellorganismen Fliege und Maus aufklären. Dazu kombinieren wir genetische und biochemische Analysemethoden mit einer neuen Errungenschaft der Lichtmikroskopie: der Stimulierten Emissions Mikroskopie (STED). STED steigert die Auflösung der Fluoreszenzmikroskopie um ein Vielfaches und enthüllt bisher nicht auflösbare Substrukturen der molekularen Architektur der Synapsen. So wollen wir Erkenntnisse auf den Gebieten von Lernen und Gedächtnis, wie auch von degenerativen Erkrankungen des Nervensystems gewinnen.

Molekulare Tumorbiologie

Krebserkrankungen sind noch immer die zweithäufigste Todesursache in Europa. Am Anfang stehen Veränderungen der DNA, die zumeist sofort korrigiert werden können. In seltenen Fällen versagen diese Reparaturmechanismen jedoch. Mutationen sammeln sich in der DNA an und führen zum unkontrollierten Wachstum einzelner entarteter Zellen. Die häufigste Mutation bei Krebspatienten tritt im p53 Tumorsuppressorgen auf. Dessen Aufgabe ist es, als "Wächter des Genoms" die Entstehung von Krebs zu verhindern. Inzwischen hat man zwei neue Gene (p63 und p73) identifiziert, die verblüffende Ähnlichkeit mit p53 aufweisen. Ihre Rolle bei der Krebsentstehung ist bislang unklar. Ziel unserer Forschung ist es, durch eine vergleichende Analyse der drei Gene in verschiedenen Zellkultur- und Tiermodellen, die Bedeutung der einzelnen p53-Familienmitglieder bei der normalen Entwicklung und der Krebsentstehung zu verstehen.

Kontaktdaten

Prof. Dr. Thorsten Stiewe

seit April 2007 Professor am Institut für Molekularbiologie und Tumorforschung
an der Universität Marburg

E-Mail: thorsten.stiewe@staff.uni-marburg.de

Weitere Informationen: www.imt.uni-marburg.de

In-Vivo-Bildgebung

Injiziert man Bakterien intravenös in lebende Tiere, dringen sie in Tumore und Metastasen ein und beginnen sich dort zu vermehren. Mit Hilfe von Luciferase katalysierter Lumineszenz und GFP-Fluoreszenz können wir den tumorspezifischen Amplifikationsprozess in Echtzeit visualisieren und somit Tumore und Metastasen sichtbar machen. Alle getesteten attenuierten E. coli-, Vibrio cholerae- , Salmonella thyphimurium- und Listeria monocytogenes-Stämme waren in der Lage, in den Tumor einzudringen und sich in ihm zu vermehren. Das im Cytosol replizierende Vaccinia-Virus besitzt die gleichen Eigenschaften, wie durch Low Light Imaging gezeigt werden konnte. Die Kolonisierung von Tumoren durch Mikroorganismen konnte sowohl in immunkompetenten als auch in immunsupprimierten Nagern mit syngenen und allogenen Tumoren beobachtet werden. Die injizierten Mikroorganismen haben offensichtlich die Fähigkeit, dem Immunsystem des Tieres zu entkommen und im immunprivilegierten Milieu des Tumors zu überleben. Daher ist es denkbar, dass Bakterien und Viren in der Tumordiagnose und - therapie eingesetzt werden könnten.

Immunpathogenese der Arteriosklerose

Kontaktdaten

Prof. Dr. Alma Zernecke-Madsen

Leitung des Inistituts für experimentelle Biomedizin, Lehrstuhl II.

Institut für Experimentelle Biomedizin
Lehrstuhl II
Haus D16
Josef-Schneider-Str. 2
97080 Würzburg

Tel.:      +49 931 201-48330
E-Mail: zernecke_a@ukw.de