Forschung
Arbeitsschwerpunkte des Instituts
Die Schwerpunkte des Instituts liegen im Bereich der molekularen Signaltransduktionsforschung einschließlich der Chromatinregulation und, eng verbunden damit, der makromolekularen Struktur-/Funktionsanalyse in der medizinischen Forschung.
Molekulare Signaltransduktionsforschung
Signaltransduktionsforschung mit Schwerpunkt auf der intrazellulären Signalvermittlung wird im Institut mit zellbiologisch/zellbiochemischen, zellphysiologischen, proteinbiochemischen und molekularbiologischen Methoden betrieben.
Ein Arbeitsschwerpunkt ist die Aufklärung der Regulationsmechanismen der intrazellulären Calcium-Konzentration (Prof. Guse). Dabei werden die durch die Adeninnukleotide cyclische ADP-Ribose (cADPR), Adenosindiphosphoribose (ADPR) und Nikotinsäure-Adenindinukleotidphosphat (NAADP) regulierten Signalwege untersucht. Einen besonderen Schwerpunkt bildet die Bedeutung dieser Signalwege bei der Aktivierung von humanen T-Lymphozyten, auch im Hinblick auf deren Rolle bei der Genese von Autoimmunerkrankungen. Die dabei mit molekularbiologischen und pharmakologischen Techniken untersuchten Targetproteine sind die Ryanodinrezeptoren, ADP-Ribosylcyclasen und Calciumkanäle der TRP-Familie. Im Rahmen der Aufklärung der Struktur-Wirkungsbeziehungen zwischen den oben genannten messengern und deren Bindungsproteinen oder Rezeptoren wird in enger Kooperation mit chemisch-synthetisch arbeitenden Gruppen in England, Frankreich, Japan und China an der Entwicklung neuer immunpharmakologischer Leitsubstanzen gearbeitet. Außer in T-Lymphocyten werden Calcium-Signalwege auch in Fibroblasten und Osteoklasten (Schwerpunkt Skelettbiologie) sowie in Cardiomyocyten (geplanter Schwerpunkt Herz/Kreislauf) untersucht (Prof. Guse).
Neue Signal- und Regulationsfunktionen von Inositiden und Inositolphosphaten bei der Zellaktivierung, Genexpression und beim Zellwachstum sowie die Identifizierung und strukturell-funktionelle Charakterisierung entsprechender makromolekularer Targets in der Zelle oder im Zellkern stellen einen weiteren Arbeitsschwerpunkt dar. Besonderes Interesse finden derzeit Inositolphosphat-Kinasen, Inositolphosphat Phosphatasen, neuronale und kernspezifische Inositolpolyphosphat-Rezeptorproteine sowie das neuronale Phosphatidinositoltrisphosphat-Rezeptorprotein Centaurin (Prof. Mayr).
Die intrazellulären Signaltransduktionsmechanismen, welche Wachstumsfaktor-Unabhängigkeit in humanen myeloischen Leukämiezellen herbeiführen können, führen zur Identifizierung neuer das Zellwachstums beeinflussender intrazellulärer Signalwege. Die Identifizierung und strukturell-funktionelle Charakterisierung hierbei beteiligter Kinasen, Phosphatasen und Adapterproteine stellt einen weiteren Arbeitsschwerpunkt dar (Dr. Jücker/ Prof. Mayr).
Chromatinremodelling und neue Kontrollelemente der Genregulation.
Derartige Domänenstrukturen in Chromosomen sind für die Inaktivierung oder Aktivierung ganzer Sätze von Genen verantwortlich. Strukturell-funktionell sind für die Domänenorganisation circumscripte flankierende DNA-Segmente (sog. matrix oder scaffold attachment regions, MARs bzw. SARs) essentiell. Deren Interaktion mit spezifischen Bindeproteinen (attachment region binding proteins, ARBPs) sowie die Struktur und Funktion dieser Proteine in ihrem Komplex mit DNA werden im Institut in einem weiteren Schwerpunkt untersucht (Prof. Strätling).
Da für die domänenweise Ab- oder Anschaltung auch noch andere Mechanismen, z.B. Methylierungs- Demethylierungsreaktionen von Bedeutung sind, werden auch diese studiert. Die Funktion von Inositolphosphatkinasen und ihrer Inositolphosphatprodukte steht ebenfalls im Zusammenhang mit Chromatinremodelling und Genexpression. Dieser Arbeitsbereich wurde jüngst im Institut etabliert (Dr. Nalaskowski, Prof. Mayr)
Makromolekulare Struktur-/Funktionsanalyse in der Therapieforschung
In der molekularen Medizinforschung wird heute nach dem Aufspüren eines an der Pathogenese einer Krankheit beteiligten Gens oder des codierten Proteins letzteres in kurzer Zeit isoliert und funktionell und strukturell charakterisiert. Ziel hierbei ist, rasch hochspezifische, die Funktion dieses Proteins therapeutisch beeinflussende Wirkstoffe aufzuspüren ohne im Tiermodell nach Wirkstoffen screenen zu müssen.
Neuere Projekte befassen sich mit der Struktur, Funktion und pharmakologischen Hemmung von Inositolphosphat und von Phosphoinositid-Rezeptorproteinen. Obwohl hier noch kaum 3-D Strukturen erhalten wurden, konnte durch Kombination aus gezielter Mutagenese, schnellem in vitro screening an z.T. mutagenisierten rekombinanten Proteinen sowie durch zellbiologische Screenings ein neuer nicht-genotoxischer antiproliferativer Wirkmechanismus einer ganzen Gruppe von Xenobiotika bereits weitgehend aufgeklärt werden (Prof Mayr).
Experimentelle Techniken im Institut
Im Institut verwendete Methoden sind die rekombinante Herstellung und Reinigung von Targetproteinen, die gezielte Mutagenese dieser Proteine, deren Strukturanalyse, das "molecular modelling" homologer nicht oder noch nicht kristallisierbarer Proteine, und ein "molecular drug design" basierend auf 3-D-Daten. Bei noch nicht kristallisierten, rekombinanten Targetproteinen wird ein in vitro screening in Wirkstoffbanken durchgeführt. Kritisch für Strukturaufklärung und das Testen einer großen Zahl von Wirkstoff-Leitstrukturen ist die Verfügbarkeit großer Mengen gentechnisch hergestellten Proteins. Entsprechende Methoden sind deshalb im Institut gut etabliert.
Die für die Arbeitsabläufe von Signaltransduktionsforschung und makromolekularer Struktur-/Funktionsanalyse nötige Infrastruktur.
- Molekularbiologische Methoden zur Mutagenese und Expression von Proteinen (PD Dr. Jücker/ Prof. Strätling/ Prof. Mayr)
- Zelluläre Injektions- und Expressionsmethoden zur Untersuchung von Funktionsmutanten (Prof. Guse/ Prof. Strätling/ Prof. Mayr)
- Großpräparative rekombinante Proteinherstellung (PD Dr. Weber/ Prof. Strätling/ Prof. Mayr)
- Know how zur Proteinkristallisation (PD Dr. Weber). Kristallographie und 3-D-strukturanalytik von Biomakromolekülen in Kooperation mit Prof. Betzel (FB Chemie, UniHH)
- Zugang zu den Strahlenquellen des DESY zur Kristallographie und Kleinwinkel-Streuungsanalyse
Logistik zum "molecular modelling" und "phylogenic tree based gene prediction" und "gene ontology" (Prof. Mayr)
- in vitro und Zellkulturtechniken zum Testen von Wirkstoff-Leitstrukturen (Prof. Mayr/Prof. Guse)
- HPLC-Analytik von Inositolphosphaten und Adeninnukleotiden (Prof. Mayr/Prof. Guse)
- Konfokale Fluoreszenzmikroskopie, insbesondere Ca2+-Imageing und Mehrfarben-Fluoreszenzimageing-Techniken, und nicht konfokale Imageing-Techiken an insgesamt vier Mikroskopsystemen (Prof. Guse/Prof. Mayr/Priv.-Doz. Dr. Jücker)
- Ratiometrische Fluorimetrie zur Bestimmung intrazellulärer Calcium-Konzentrationen (Prof. Guse)
ist in den Arbeitsgruppen des Instituts für Biochemie und Molekularbiologie I: Zelluläre Signaltransduktion etabliert.
Das Institut stellt einen internationalen Anlaufpunkt dar zur direkten, nichtradioaktiven HPLC-Mikroanalytik von Signalstoffen, insbesondere von Inositolphosphaten und als messenger aktiven Nucleotiden aus kleinsten Zell- oder Gewebsmengen (Prof Mayr, Prof Guse). Diese auf kleinste Gewebemengen anwendbaren Techniken finden zunehmend Anwendung bei der Charakterisierung von Signalling-Veränderungen in Organen transgener Tiere (Dr. Lin / Prof. Mayr).
