Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Molekulare Zahnrädchen für die Signalübertragung

08.09.2006
Max-Planck-Wissenschaftler und ihre Kollegen von der Universität Tübingen entdecken einen neuen Mechanismus zur Informationsübertragung ins Zellinnere

Damit Bakterienzellen ihre Umgebung wahrnehmen und auf sie reagieren können, müssen sie Informationen über ihre Umgebung in die Zelle weiterleiten. Viele Rezeptorproteine sind bereits bekannt und über den molekularen Mechanismus der Signalübertragung wurde viel spekuliert. Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen und vom Institut für Pharmazie der Universität Tübingen ist es nun gelungen, die Struktur der HAMP-Domäne zu entschlüsseln (Cell, 8.September 2006). Dabei handelt es sich um einen Teilbereich eines Rezeptorproteins, der die extrazelluläre mit der intrazellulären Domäne verbindet und daher eine entscheidende Rolle bei der Signalweiterleitung spielt. Die Struktur offenbart die Fähigkeit der HAMP-Domäne, zwischen zwei Konformationen hin und her zu wechseln. Die Forscher erklären diesen Konformationswechsel mit einer Bewegung, die an die Rotation von vier ineinander greifenden Zahnrädern erinnert.


Die HAMP-Domäne (rot) kann durch Rotation der vier Helices ihre Konformation ändern. Die Bewegung der Helices erinnert an die Rotation von vier Zahnrädern in einem Getriebe, da die Seitenketten im Inneren ineinander greifen. Die HAMP-Domäne ist ein Teil der modular aufgebauten Rezeptorproteine, die in Zellmembranen von Bakterien vorkommen (die einzelnen Module sind in grün, grau, rot und blau dargestellt). In der Abbildung ist ein Rezeptor für die Chemotaxis gezeigt, der das Bewegungsverhalten der Bakterien beeinflusst (oben rechts). Bild: Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, Tübingen

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 entlang eines chemischen Konzentrationsgradienten bezeichnet man als Chemotaxis. Dabei löst ein Reiz der Umgebung eine vorprogrammierte Verhaltensweise aus. Wie kann man sich Chemotaxis als Reaktion auf einen solchen chemischen Stimulus vorstellen?

Normalerweise zeigen Bakterien ein Bewegungsverhalten, das aus Schwimm- und Taumelbewegungen besteht und die Zelle um ihren momentanen Aufenthaltsort herum torkeln lässt. Gerät die Bakterienzelle in einen Konzentrationsgradienten eines attraktiven Stoffes (z.B. 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. Besteht der Gradient weiter, so folgt nach einer kurzen Neuorientierung eine erneute, verlängerte Schwimmbewegung.

Die entsprechenden 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. Diese Rezeptoren bestehen aus verschiedenen Modulen, sodass viele externe Stimuli mit einer Vielzahl von internen Antwortmöglichkeiten kombiniert werden können.

Die Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen wollten nun genau wissen, wie Informationen von Außen ins Zellinnere gelangen. Im Fall der Chemotaxis führt die Bindung eines Signalmoleküls an den extrazellulären Teil eines Rezeptors zur Auslösung einer ganzen intrazellulären Reaktionskaskade. An ihrem Ende steht die Phosphorylierung bestimmter Proteine, die den Bewegungsapparat des Bakteriums beeinflussen.

Da der Rezeptor keinen Transport von Signalmolekülen in die Zelle vermittelt, kann das Signal nur auf mechanischem Wege weitergegeben werden, das heißt, es muss zu einer Konformationsänderung im Rezeptor kommen - das wäre die einzig denkbare Möglichkeit der Informationsübertragung von Außen nach Innen. Verschiedene Konformationsänderungen wurden bereits für solche Rezeptoren diskutiert. Aber die Wissenschaftler tappten weitgehend im Dunkeln, da die molekulare Struktur des Moduls unbekannt war, das den extrazellulären mit dem intrazellulären Teil verbindet. Dieses Modul wird HAMP-Domäne genannt.

Andrei Lupas und seine Mitarbeiter konnten nun die Struktur einer HAMP-Domäne mittels NMR-Spektroskopie aufklären. Sie wählten dafür eine HAMP-Domäne aus dem Archaebakterium Archaeoglobus fulgidus, das in heißen Quellen von etwa 100°C lebt. Der Vorteil: Das Protein dieses hyperthermophilen Organismus war bei Raumtemperatur starr und daher für NMR-Untersuchungen geeignet. Bisherige Strukturuntersuchungen waren wohl daran gescheitert, dass die HAMP-Domäne unter Untersuchungsbedingungen rasch zwischen zwei Schalterpositionen hin und her wechselte.

Die Strukturuntersuchungen offenbarten, dass es sich bei der HAMP-Domäne um ein Bündel aus zwei mal zwei parallelen alpha-Helices handelt. Dabei entdeckten die Wissenschaftler eine völlig neuartige, geometrische Anordnung der Seitenketten im Inneren der Helixbündel. Interessanterweise konnte diese Seitenkettengeometrie in Computermodellen durch zahnradartige Drehung der einzelnen Helices in die allgemein bekannte Geometrie überführt werden.

"Wir haben nun vermutet, dass beide Geometrien, das heißt beide Konformationen, je einen Signalzustand repräsentieren und die zahnradartige Helixrotation die gesuchte, mechanische Konformationsänderung zur Signalübertragung darstellt", erklärt Michael Hulko. Durch gezielte Mutationen einzelner Aminosäurereste und mit Unterstützung von Wissenschaftlern aus der Arbeitsgruppe von Joachim Schultz von der Universität Tübingen konnten die Forscher 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 Strukturaufklärung 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 die Leichtigkeit des Umschaltens modulieren lässt. Dieser in Bakterien gefundene Zahnradmechanismus könnte - so ihre Spekulation - auch eine universelle Bedeutung haben.

Originalveröffentlichung:

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
Cell, 8. September 2006

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht In Hochleistungs-Mais sind mehr Gene aktiv
19.01.2018 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

nachricht Warum es für Pflanzen gut sein kann auf Sex zu verzichten
19.01.2018 | Universität Wien

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: Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von...

Im Focus: Artificial agent designs quantum experiments

On the way to an intelligent laboratory, physicists from Innsbruck and Vienna present an artificial agent that autonomously designs quantum experiments. In initial experiments, the system has independently (re)discovered experimental techniques that are nowadays standard in modern quantum optical laboratories. This shows how machines could play a more creative role in research in the future.

We carry smartphones in our pockets, the streets are dotted with semi-autonomous cars, but in the research laboratory experiments are still being designed by...

Im Focus: Fliegen wird smarter – Kommunikationssystem LYRA im Lufthansa FlyingLab

• Prototypen-Test im Lufthansa FlyingLab
• LYRA Connect ist eine von drei ausgewählten Innovationen
• Bessere Kommunikation zwischen Kabinencrew und Passagieren

Die Zukunft des Fliegens beginnt jetzt: Mehrere Monate haben die Finalisten des Mode- und Technologiewettbewerbs „Telekom Fashion Fusion & Lufthansa FlyingLab“...

Im Focus: Ein Atom dünn: Physiker messen erstmals mechanische Eigenschaften zweidimensionaler Materialien

Die dünnsten heute herstellbaren Materialien haben eine Dicke von einem Atom. Sie zeigen völlig neue Eigenschaften und sind zweidimensional – bisher bekannte Materialien sind dreidimensional aufgebaut. Um sie herstellen und handhaben zu können, liegen sie bislang als Film auf dreidimensionalen Materialien auf. Erstmals ist es Physikern der Universität des Saarlandes um Uwe Hartmann jetzt mit Forschern vom Leibniz-Institut für Neue Materialien gelungen, die mechanischen Eigenschaften von freitragenden Membranen atomar dünner Materialien zu charakterisieren. Die Messungen erfolgten mit dem Rastertunnelmikroskop an Graphen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher im Fachmagazin Nanoscale.

Zweidimensionale Materialien sind erst seit wenigen Jahren bekannt. Die Wissenschaftler André Geim und Konstantin Novoselov erhielten im Jahr 2010 den...

Im Focus: Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen

Sogenannte vorverspannte Zustände beschleunigen auch photochemische Reaktionen

Was ermöglicht den schnellen Transfer von Elektronen, beispielsweise in der Photosynthese? Ein interdisziplinäres Forscherteam hat die Funktionsweise wichtiger...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Kongress Meditation und Wissenschaft

19.01.2018 | Veranstaltungen

LED Produktentwicklung – Leuchten mit aktuellem Wissen

18.01.2018 | Veranstaltungen

6. Technologie- und Anwendungsdialog am 18. Januar 2018 an der TH Wildau: „Intelligente Logistik“

18.01.2018 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rittal vereinbart mit dem Betriebsrat von RWG Sozialplan - Zukunftsorientierter Dialog führt zur Einigkeit

19.01.2018 | Unternehmensmeldung

Open Science auf offener See

19.01.2018 | Geowissenschaften

Original bleibt Original - Neues Produktschutzverfahren für KFZ-Kennzeichenschilder

19.01.2018 | Informationstechnologie