Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein neues Modell zur Informationsübertragung ins Zellinnere

08.09.2006
Signale können über molekulare Zahnrädchen übertragen werden

Damit Bakterienzellen die Außenwelt wahrnehmen und auf sie reagieren können, müssen sie Informationen über ihre Umgebung in die Zelle hinein weiterleiten. Dabei wird zunächst ein Signalstoff an einen Rezeptor gebunden, der außen an der Zelle sitzt. Viele Rezeptorproteine sind bereits bekannt, doch über die molekularen Mechanismen der Signalübertragung ins Zellinnere gab es bisher vor allem Spekulationen.

Nun ist es Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen unter der Leitung von Dr. Andrei Lupas und von der Universität Tübingen unter der Leitung von Prof. Joachim E. Schultz gelungen, die Struktur eines wichtigen Teilbereichs eines Rezeptorproteins aus dem Archaebakterium Archaeoglobus fulgidus aufzuklären. Diese so genannte HAMP-Domäne verbindet den extrazellulären mit dem intrazellulären Bereich des Rezeptorproteins und spielt eine entscheidende Rolle bei der Signalweiterleitung. Die Struktur offenbart die Fähigkeit der HAMP-Domäne, zwischen zwei Konformationen hin und her zu wechseln.

Die Wissenschaftler erklären diesen Gestaltwechsel mit einer Bewegung, die an die Rotation von vier ineinander greifenden Zahnrädern erinnert. Die Forschungsergebnisse werden jetzt in der Fachzeitschrift Cell veröffentlicht (Cell, 8. September 2006. Michael Hulko, Franziska Berndt, Markus Gruber, Jürgen U. Linder, Vincent Truffault, Anita Schultz, Jörg Martin, Joachim E. Schultz, Andrei Lupas, Murray Coles: "The HAMP domain structure implies helix rotation in transmembrane signaling")

Bakterien haben eine Vielzahl sensorischer Systeme entwickelt, um ihre Umwelt wahrzunehmen und darauf zu reagieren. Oft spüren sie damit günstigere, zum Beispiel nährstoffreichere, Umgebungen auf und bewegen sich aktiv darauf zu. Das gezielte Wandern in Richtung einer höheren Stoffkonzentration bezeichnet man als Chemotaxis. Normalerweise bewegen sich Bakterien eher ungezielt und schwimmen taumelnd um ihren Aufenthaltsort herum. Gerät die Bakterienzelle in einen Konzentrationsgradienten eines attraktiven Stoffs, wie zum Beispiel Zucker, und ist in dessen Richtung ausgerichtet, so wird ein Schalter in der Zelle umgelegt: Um dem Gradienten folgen zu können, wird die Schwimmbewegung zeitlich verlängert. Die Schalter befinden sich in der Zellmembran hauptsächlich an den Zellpolen. Dabei handelt es sich um Proteine, die einen in den Außenraum ragenden extrazellulären Teil besitzen, mit dem sie äußere Reize aufnehmen, und einen intrazellulären Teil, der das Signal für die Bewegungsänderung in die Zelle weiterleitet. Die Tübinger Wissenschaftler wollten nun genau wissen, was dabei passiert. Bei der Chemotaxis löst die Bindung eines Signalmoleküls an den extrazellulären Teil eines Rezeptors über mehrere Stufen die Phosphorylierung bestimmter Proteine in der Zelle aus, die den Bewegungsapparat des Bakteriums beeinflussen. Da der Signalstoff nicht in die Zelle hinein transportiert wird, kann das Signal nur auf mechanischem Wege weitergegeben werden. Es muss zu einer Konformationsänderung im Rezeptor kommen. Wie diese vor sich geht, war allerdings bisher unklar. Denn die molekulare Struktur der HAMP-Domäne, die den extra- mit dem intrazellulären Teil des Rezeptors verbindet, war nicht bekannt.

Ihre Aufklärung ist nun den Tübinger Forschern unter der Leitung von Andrei Lupas mittels Kernresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie) gelungen. Sie wählten dafür eine HAMP-Domäne aus dem Archaebakterium Archaeoglobus fulgidus, das in heißen Quellen von etwa 100 Grad Celsius lebt. Der Vorteil: Das Protein dieses Organismus ist bei Raumtemperatur starr und daher für die spektroskopische Untersuchung geeignet. Die Strukturuntersuchungen offenbarten, dass es sich bei der HAMP-Domäne um ein Bündel aus zwei mal zwei parallel angeordneten Spiralen, so genannten alpha-Helices, handelt. Dabei entdeckten die Wissenschaftler eine neuartige geometrische Anordnung der Seitenketten im Inneren der Helixbündel. Computermodelle zeigten, dass sich die neuartige Anordnung durch eine zahnradartige Drehung der einzelnen Helices in die bekannte Geometrie überführen ließ. Die Forscher vermuteten daher, dass beide Geometrien - oder Konformationen - je einen Signalzustand repräsentieren und die zahnradartige Helixrotation die Signalübertragung möglich macht. Durch gezielte Mutationen einzelner Proteinbausteine des Rezeptors konnte die Arbeitsgruppe von Joachim E. Schultz von der Universität Tübingen dann zeigen, dass sich die HAMP-Domäne tatsächlich in einen anderen Signalzustand versetzen lässt, wenn man versucht, die herkömmliche Konformation gegenüber der neuartigen zu stabilisieren.

Noch fehlt die Struktur der zweiten Schalterstellung, auf deren Existenz alle bisherigen Hinweise deuten. Auch möchten die Wissenschaftler gerne wissen, durch welche Eigenschaften die einzelnen Schalterstellungen stabilisiert werden und wie sich das Umschalten modulieren lässt. Dieser in Bakterien gefundene Zahnradmechanismus könnte - so ihre Spekulation - eine universelle Bedeutung haben.

Nähere Informationen

Prof. Dr. Joachim E. Schultz
Pharmazeutisches Institut - Abteilung Pharmazeutische Biochemie
Auf der Morgenstelle 8
72076 Tübingen
Tel. 0 70 71/2 97 24 75
Fax 0 70 71/29 59 52
E-Mail joachim.schultz@uni-tuebingen.de

Michael Seifert | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-tuebingen.de

Weitere Berichte zu: Bakterium HAMP-Domäne Konformation Protein Rezeptor Zelle Zellinnere

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Neues Schiff für die Fischerei- und Meeresforschung
22.03.2017 | Johann Heinrich von Thünen-Institut, Bundesforschungsinstitut für Ländliche Räume, Wald und Fischerei

nachricht Mit voller Kraft auf Erregerjagd
22.03.2017 | Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Im Focus: Auf der Spur des linearen Ubiquitins

Eine neue Methode ermöglicht es, den Geheimcode linearer Ubiquitin-Ketten zu entschlüsseln. Forscher der Goethe-Universität berichten darüber in der aktuellen Ausgabe von "nature methods", zusammen mit Partnern der Universität Tübingen, der Queen Mary University und des Francis Crick Institute in London.

Ubiquitin ist ein kleines Molekül, das im Körper an andere Proteine angehängt wird und so deren Funktion kontrollieren und verändern kann. Die Anheftung...

Im Focus: Tracing down linear ubiquitination

Researchers at the Goethe University Frankfurt, together with partners from the University of Tübingen in Germany and Queen Mary University as well as Francis Crick Institute from London (UK) have developed a novel technology to decipher the secret ubiquitin code.

Ubiquitin is a small protein that can be linked to other cellular proteins, thereby controlling and modulating their functions. The attachment occurs in many...

Im Focus: Physiker erzeugen gezielt Elektronenwirbel

Einem Team um den Oldenburger Experimentalphysiker Prof. Dr. Matthias Wollenhaupt ist es mithilfe ultrakurzer Laserpulse gelungen, gezielt Elektronenwirbel zu erzeugen und diese dreidimensional abzubilden. Damit haben sie einen komplexen physikalischen Vorgang steuern können: die sogenannte Photoionisation oder Ladungstrennung. Diese gilt als entscheidender Schritt bei der Umwandlung von Licht in elektrischen Strom, beispielsweise in Solarzellen. Die Ergebnisse ihrer experimentellen Arbeit haben die Grundlagenforscher kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Das Umwandeln von Licht in elektrischen Strom ist ein ultraschneller Vorgang, dessen Details erstmals Albert Einstein in seinen Studien zum photoelektrischen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

Über Raum, Zeit und Materie

22.03.2017 | Veranstaltungen

Unter der Haut

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Neues Schiff für die Fischerei- und Meeresforschung

22.03.2017 | Biowissenschaften Chemie

Mit voller Kraft auf Erregerjagd

22.03.2017 | Biowissenschaften Chemie