Forschungsberichte - Jährliche Highlights unserer Forschung

Aus einer befruchteten Eizelle entsteht in nur wenigen Wochen ein komplett neuer Organismus. Es grenzt beinahe an ein Wunder, wenn sich aus einem Haufen Stammzellen ohne Bauplan und weiteres Dazutun wie von Zauberhand komplexe Strukturen bilden. Doch Stammzellen überlassen ihr Schicksal nicht dem reinen Zufall: Sie leben in einer aktiven, sozialen Gemeinschaft, die geprägt ist von einer ständigen Absprache. Unsere Forschung an Stammzellen im Reagenzglas zeigt, wie Zellen miteinander kommunizieren, und wie sie komplizierte Botschaften ver- und wieder entschlüsseln.

Ob Antibiotika, Cholesterinsenker oder fluoreszierende Proteine: die Medizin und Wissenschaft nutzt seit jeher Naturstoffe,  zum Beispiel aus Pilzen und Meeresbewohnern. Mithilfe hochaufgelöster Kryo-
Elektronenmikroskopie konnten wir nun erstmalig aufklären, wie zwei natürliche Giftstoffe die Regulation des Zellskeletts beeinflussen. Während diese Stoffe bereits heute von großem Nutzen für die Forschung sind, könnten sie in Zukunft sogar dazu eingesetzt werden, das Zytoskelett von Krebszellen gezielt zu verkleben und die Zellen auf diese Weise abzutöten.
 

Tumoren wachsen deutlich schneller als gesundes Gewebe. Die dazu nötige Energie und Bausteine holen sich Krebszellen, indem sie bis zu zehnmal mehr Zucker aufnehmen als normale Körperzellen. Krebszellen sind regelrecht zuckersüchtig. Wir nutzen diese natürliche Schwäche und setzen Tumorzellen mit einer Reihe von selbstentwickelten Wirkstoffen auf eine radikale Zuckerdiät, so dass sie aushungern und sterben.

Die Zellteilung ist ein Zusammenspiel vieler zellulärer Komponenten. Eine zentrale Rolle spielt dabei das Kinetochor –  ein großer Proteinkomplex, der die Chromosomen mit dem Spindelapparat verbindet und dadurch ihre Bewegungen steuerbar macht. Zur Erforschung der Zellteilung müssen die Funktionen der Kinetochorbestandteile sowohl einzeln in vitro als auch in lebenden Zellen analysiert werden. Wir haben eine Methode entwickelt, um beide Ansätze zu kombinieren. Mit ihrer Hilfe lassen sich Proteine gezielt in menschliche Zellen einbringen und so zelluläre Abläufe beobachten.

Haben Zellen ‚Sinnesorgane’, mit denen sie ihre Umgebung erfahren können? Unsere Abteilung erforscht mit experimentellen und theoretischen Forschungsansätzen, womit Zellen in der Lage sind, ihre komplexe Umgebung und deren zeitliche Veränderung zu erfassen und darauf angemessen zu reagieren. Wir konnten erstmalig zeigen, nach welchen Grundprinzipien die dynamischen Netzwerke aufgebaut und welche Eigenschaften der beteiligten Proteinnetzwerke für sie essentiell sind.

Die Organisation des Erbmaterials (Chromatins) im Zellkern bedingt dessen Flexibilität in Struktur und Zusammensetzung, die für den korrekten Ablauf der Vererbungsprozesse unabdingbar ist. Die Dortmunder Max-Planck-Forscher nutzen genetisch codierte Quervernetzer-Aminosäuren, um die Veränderungen des Chromatins in lebenden Zellen zu untersuchen. Dadurch haben sie eine Wechselwirkung zwischen Nukleosomen entdeckt, die dazu beiträgt, dass Chromosomen sich während der Mitose verdichten. In Zukunft können diese Methoden helfen, die Vererbungsprozesse im Verlauf des Zellzyklus zu untersuchen.

Kleine Moleküle sind in der Lage, Wechselwirkungen mit zellulären Funktionsträgern einzugehen und so biologische Prozesse zu beeinflussen. Um die Entdeckung bioaktiver kleiner Moleküle voranzutreiben, wurde innerhalb des COMAS (Compound Management und Screening Center) eine Infrastruktur zur Lagerung und Testung einer großen Substanzbibliothek aufgebaut. Das COMAS ist eine wichtige Schnittstelle  für den Transfer wissenschaftlicher Erkenntnisse der Max-Planck-Gesellschaft in die medizinische Forschung und die  Entwicklung neuer therapeutischer Anwendungen.

Während der Zellteilung werden von den Chromosomen, den Trägern des Genoms einer Zelle, zunächst identische Kopien in der Mutterzelle erzeugt, die später im Prozess der Chromosomentrennung auf die beiden Tochterzellen verteilt werden. Dazu sind spezialisierte Strukturen erforderlich, die Kinetochore. Sie werden am Centromer, einer besonderen Region jedes Chromosoms, aufgebaut. Als Multiprotein-Komponenten verbinden sie das Chromosom mit einer dynamischen Struktur, der Kernspindel, dessen Hauptaufgabe die Trennung der kopierten Chromosomen ist.

Die Autophagozytose als wichtiger Selbstverdauungsprozess in Zellen spielt sich in Autophagosomen ab – Zellorganellen, die von einer Lipiddoppelmembran umhüllt sind. Sie werden in einem komplizierten Zusammenspiel zwischen Lipiden und Proteinen aufgebaut, streng reguliert durch ein Netzwerk von Signalwegen. Die Verwendung chemischer Sonden, vor allem chemisch modifizierter Proteine und kleiner Moleküle, erlaubt es Forschern, die Regulationsmechanismen der Autophagozytose und die molekulare Basis der Autophagosomenbildung besser zu verstehen, als es durch herkömmliche Methoden möglich ist.

Bakterien besitzen ein Arsenal an Waffen, um ihren Wirt zu infizieren und gegebenenfalls zu töten. Forscher am MPI für molekulare Physiologie haben einen neuartigen Mechanismus beschrieben, mit dem das Bakterium Photorhabdus luminescens Insekten attackiert. Dabei spielen ein ungewöhnlicher Kokon mit seinem hochgiftigen Inhalt und eine neuartige Nanospritze die zentralen Rollen. Diese neuen Erkenntnisse sind von grundlegender Bedeutung für das allgemeine Verständnis des Transports von Wirkstoffen durch Membranen und könnten sogar für gezielte medizinische Anwendungen in Frage kommen.

Krebs entsteht durch Mutationen in den Genen. Ein Gen, das in jedem dritten Tumor verändert ist, ist das Ras-Gen. Das zugehörige veränderte Protein sorgt für ein ständiges, onkogenes Signal für Zellwachstum. In einem interdisziplinären Forschungsprojekt wurde ein neues Molekül gegen Ras-abhängige Tumore entwickelt. Das Molekül zielt nicht direkt auf Ras ab, sondern auf einen für die innerzelluläre Lokalisation von Ras verantwortlichen Interaktionspartner. Die Blockade dieses Partners verändert den Aufenthaltsort von Ras und inaktiviert damit das dauerhaft krebsauslösende Wachstumssignal.

Intrazelluläre Signalwege als Reaktion auf die Außenwelt entscheiden über das Schicksal einer Zelle. Sie bestehen aus verschachtelten Netzwerken von Proteinen, deren Eigenschaften ihre Wechselwirkungen bestimmen, die aber auch ständig von diesen Interaktionen verändert werden. Die computerunterstützte Modellierung der Dynamik von Proteinen in einer Zelle erlaubt es, Muster im makroskopischen Verhalten der Zelle entstehen zu sehen, die durch Protein-Interaktionen auf der molekularen Skala erwachsen.

Die Entwicklung von neuen effizienten Synthesemethoden ist ein Gebiet von großer Bedeutung. Wissenschaftler vom MPI für molekulare Physiologie beschreiben neue Wege für den schnellen Zugriff auf chemische Stoffe. Diese Methoden zeichnen sich durch milde, metallfreie und die Umwelt schonende Verfahren aus.

Chromosomen bestehen aus zwei identischen Kopien, die wie „geleimt“ aneinanderhängen. Während der Mitose reihen sich diese zusammenhängenden Chromosomen – Schwesterchromatiden – an einem Gerüst auf, der sog. mitotischen Spindel. Sobald alle aufgereiht sind, werden sie getrennt und auf die beiden entgegengesetzten Enden der sich teilenden Mutterzelle verteilt. Jede Tochterzelle erbt damit die gleiche Chromosomenausstattung. Wird die Mitose nicht korrekt ausgeführt, kommt es zu Ungleichgewichten in der Chromosomenzahl (Aneuploidie), die als häufige genetische Veränderung in Tumoren auftreten.

Transportvorgänge in menschlichen Zellen sind erforderlich für unterschiedliche Prozesse, zum Beispiel für die Vernichtung von Krankheitserregern. Dabei steuert eine Klasse von Schalterproteinen die zeitliche und räumliche Koordination der Verschickungsprozesse. Manche Krankheitserreger, z.B. der Erreger der Legionärskrankheit, haben Mittel und Wege gefunden, diese Prozesse zu manipulieren. Die Erforschung der molekularen Prinzipien solcher Manipulationen ermöglicht den Forschern ein tieferes Verständnis der Biochemie von Krankheiten, aber auch der Grundlagen der Transportprozesse selbst.

Struktur und Funktion des Gehirns entwickeln sich durch zahlreiche Formänderungen, Bewegungen und Spezialisierungen von Zellen. Änderungen in der Zellform werden hauptsächlich durch faserartige Proteine – das sog. Zytoskelett – bewirkt. Diese Proteine werden durch molekulare Motoren verschoben, wodurch Kräfte aufgebaut werden.  Die komplexe Form von Nervenzellen wird durch ein Zusammenspiel vieler solcher Kräfte gebildet. Eine entscheidende Rolle spielt die Selbstorganisation: die spontane Bildung globaler Muster aus scheinbar zufälligen Fluktuationen unabhängiger molekularer Maschinen.

Proteasen sind an einer Vielzahl biologischer Prozesse beteiligt. Zum Studium ihrer biologischen Funktion und Regulation stellen selektive chemische Sonden eine interessante Alternative zu gängigen Untersuchungsmethoden wie Knock-out-Ansätzen dar. Ausgehend von Naturstoffen oder durch rationales Design entwickeln Wissenschaftler maßgeschneiderte chemische Sonden zur Anwendung in der Proteasenforschung. Sie berichten über Fortschritte in der Anwendung der Syringolin-Naturstoffe als Proteasom-Inhibitoren und in der Entwicklung von Sonden für HtrA-Proteasen.

Peptidnaturstoffe sind strukturell verwandte, in der Natur vorkommende kleine Moleküle mit breiter biologischer Aktivität. Wissenschaftler am Dortmunder Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie befassten sich unter anderem mit Thiopeptiden, das sind potente Antibiotika, und mit Chondramid C, einem F-Aktin adressierenden Zytostatikum. Es wird über Fortschritte in der Aufklärung der molekularen Wirkmechanismen, abgeleitete Fluoreszenzsonden sowie chemisch-synthetische Zugänge berichtet.

Die Umschreibung chromosomaler DNA in Boten-RNA (mRNA) ist ein zentraler Prozess der Genexpression. Nach der Transkriptionsinitiation kommt es zu einem Halt, der einen Kontrollpunkt vor der produktiven Elongation reifer mRNA-Moleküle darstellt. Diese Arrestphase wird reguliert durch das Zusammenspiel des Transkriptionsfaktors P-TEFb mit dem Protein Hexim und der kleinen nukleären RNA 7SK. Wissenschaftler am MPI für molekulare Physiologie in Dortmund haben auf molekularer Ebene die Interaktion dieser Regulationsfaktoren untersucht und gezeigt, wie das HIV Tat-Protein diesen Arrest aufhebt, um die Transkription der viralen Gene zu stimulieren.

Rho-Proteine regulieren als molekulare Schalter lebenswichtige Prozesse in Eukaryoten. Ihre Aktivierung ist essentiell für die Weiterleitung von multiplen internen und externen Signalen. Wissenschaftler am MPI in Dortmund haben kürzlich die verantwortlichen Aktivierungsproteine in Pflanzen identifiziert, die offenbar direkt an Zelloberflächenrezeptoren anknüpfen, sich strukturell deutlich von ihren Analoga in Tieren und Pilzen unterscheiden, aber dennoch einem generellen Reaktionsmechanismus folgen.

Phenazine sind stickstoffhaltige aromatische Verbindungen mit antibiotischer Wirkung, die von vielen Bakterien synthetisiert und zur Verteidigung ihres Lebensraums in die Umgebung abgegeben werden. Die Biosynthese der Phenazine zweigt von der aromatischen Aminosäurebiosynthese ab und ist im Detail nicht geklärt. Wissenschaftler am MPI für molekulare Physiologie in Dortmund haben gezeigt, dass die wichtige Zwischenstufe 2,3-Dihydro-3-hydroxyanthranilsäure von einem Enzym mit dem Namen PhzF zu einem Keton isomerisiert wird. Dieses Produkt dimerisiert und durchläuft anschließend mehrere Oxidations- und eine Decarboxylierungsreaktion, um schließlich als Phenazin-1-Carboxylsäure den Syntheseweg zu verlassen. Die Untersuchungen mit strukturbiologischen und biochemischen Methoden machen klar, welche Enzyme die jeweiligen Schritte katalysieren, und liefern somit erstmals ein relativ vollständiges Bild dieses interessanten Biosynthesewegs.

Biologische Relevanz ist das wichtigste Kriterium bei der Entwicklung organischer Moleküle für die chemisch-biologische und die medizinisch-chemische Forschung. Um biologisch wichtige und vorvalidierte Startpunkte für die Entwicklung von Substanzkollektionen zu identifizieren, wurde nach struktureller Ähnlichkeit gesucht – und zwar unter den Liganden-bindenden Kernbereichen von Proteinen und unter ihren Liganden, den durch Biosynthese gebildeten Naturstoffen. Diese Ähnlichkeit wurde als Grundlage für ein „Similarity Clustering“ der Proteine und für eine strukturelle Klassifizierung der Naturstoffe eingesetzt. Der kombinierte Ansatz am MPI für molekulare Physiologie in Dortmund führt zu Hypothesen-erzeugenden Methoden und etabliert Startpunkte für die chemische Genomik: Kleine Moleküle zum Studium der biologischen Funktion von Proteinfamilien können identifiziert und verwendet werden.

Der Bericht schildert die Fortschritte, die in den letzten Jahren bei der Aufklärung der Mechanismen der Zuckeraufnahme in Niere und Darm gemacht worden sind. Ausgehend von der biophysikalischen Definition der Asymmetrie der Zellen und der Transportsysteme wird gezeigt, wie diese Prinzipien und die der Selektivität und der Energieeinspeisung auf molekularer Ebene gelöst worden sind. Dabei ergibt sich das Bild eines komplexen mehrstufigen Transportvorganges, dessen letzte Schritte noch nicht geklärt sind. Die Kombination modernster Methoden aus unterschiedlichen Disziplinen der Naturwissenschaft – eine der Stärken des Dortmunder Max-Planck-Instituts – wird zur endgültigen Aufklärung beitragen.

Die meisten Lebewesen besitzen tagesperiodische Aktivitätszyklen, so genannte zirkadiane Rhythmen, die durch innere Uhren erzeugt und mit dem 24h-Tag-Nacht-Zyklus der Umwelt synchronisiert werden. Durch die strukturelle und proteinbiochemische Charakterisierung des Uhrenproteins PERIOD aus der Taufliege Drosophila konnten Wissenschaftler am Max-Planck-Institut in Dortmund wichtige Einblicke in den Mechanismus der inneren Uhr der Tiere gewinnen. Die Röntgenkristallstruktur zeigt neue Wege für biologische, biochemische und biophysikalische Experimente auf, die zu einem besseren Verständnis der molekularen Prozesse der inneren Uhr des Menschen beitragen sollen.

Mit der Organischen Synthese an der festen Phase (SPOS) ist es nun möglich, in kurzer Zeit viele unterschiedliche Moleküle herzustellen, die als potenzielle Liganden in biologischen Testsystemen untersucht werden können. Den Wissenschaftlern um Rolf Breinbauer ist es gelungen, erstmals elektroorganische Reaktionen an der festen Phase durchzuführen und damit einen neuen Reaktionstyp für die SPOS zugänglich zu machen. Darüber hinaus etablierten die Forscher am MPI in Dortmund einen neuen Weg zur Herstellung von Wirkstoffarrays, die für das biologische Hochdurchsatz-Screening geeignet sind.

Eukaryotische Zellen zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass sie eine Reihe von subzellulären, membranumhüllten Kompartimenten besitzen. Diese Organellen kommunizieren über den kontrollierten Austausch ihrer Inhalte in einem Prozess, der als intrazellulärer vesikulärer Transport bezeichnet wird. Die Teilschritte dieses Prozesses werden durch GTPasen der so genannten Rab-Familie reguliert und kontrolliert. Um diese Funktionen zu erfüllen, müssen Rab-Proteine mit Membranen interagieren können, was durch kovalent gebundene Lipidreste ermöglicht wird. Diese posttranslationale Modifikation wird durch das Enzym Rab-Geranylgeranyltransferase bewerkstelligt. Im modifizierten Zustand ist nicht nur die Wechselwirkung mit Membranen, sondern auch mit bestimmten Proteinmolekülen möglich, die ihrerseits die Aktivität der Rab-Proteine regulieren (zum Beispiel Rab-GDP-Dissoziationsinhibitor, kurz RabGDI). Mutationen, die entweder die Prenylierung von Rab-Molekülen oder die Rab-RabGDI-Wechselwirkung beeinflussen, sind an einer Reihe von Krankheiten des Menschen beteiligt. Wissenschaftler um Kirill Alexandrov und Roger Goody am Dortmunder MPI haben eine Kombination zwischen Proteinsynthese, kinetischer Analyse und Röntgenstrahlkristallographie angewandt, um Strukturen von wichtigen Komplexen dieser Proteine zu bestimmen. Als Ergebnis konnten sie Modelle für die Entstehung zweier erblicher Krankheiten (Chorioideremie und nicht-syndromische geistige Retardierung) erstellen.