Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Einblick in die Schaltzentralen der Zellkommunikation

14.02.2013
Forscher entdecken charakteristische Baumerkmale in einer Familie von Sensoren, die im menschlichen Körper Signale verarbeiten und physiologische Prozesse steuern

Die Zellen im menschlichen Körper kommunizieren unablässig miteinander, um ihre unterschiedlichen Aufgaben koordiniert zu erfüllen. Sie verfügen dazu über Sensoren, mit denen sie Signale aus ihrer Umwelt empfangen können. Sensoren auf der Oberfläche von Zellen werden Rezeptoren genannt.


Schematische Darstellung eines GPCR-Rezeptors am Beispiel des Lichtrezeptors Rhodopsin. Im Inneren ist der Ligand (in grün) zu sehen. Die roten Verstrebungen deuten die stabilisierenden Kontakte zwischen den Molekülstangen an, die für den Bau der GPCR-Familie charakteristisch sind. Die Zellmembran ist gelb eingefärbt. Der Teil im Bild oben ist ausserhalb der Zelle, der Teil unten ist innerhalb.

Grafik: Paul Scherrer Institut/X. Deupi


Einblick in die Bindungstasche des GPCR Rhodopsin mit gebundenem Ligand (in grün). Die roten Linien deuten die Kontakte an, die den Universalstecker in allen GPCR zum Ligand bilden. Die Zellmembran ist gelb eingefärbt. Der Teil im Bild oben ist ausserhalb der Zelle, der Teil unten ist innerhalb.

Grafik: Paul Scherrer Institut/X. Deupi

Zahlreiche Prozesse in unserem Körper wie das Sehen, Riechen oder Schmecken werden durch eine wichtige Familie von Rezeptoren bewerkstelligt, die man G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR) nennt. Dazu gehören auch Rezeptoren, die Gefühlszustände steuern und für die Angst- und Stressreaktion mitverantwortlich sind. Forscher des Paul Scherrer Instituts haben nun zusammen mit Kollegen aus Grossbritannien die bislang bekannten räumlichen Strukturen von GPCR analysiert und miteinander verglichen. So haben sie ein stabilisierendes Gerüst von feinen Verstrebungen entdeckt, das in allen Rezeptoren vorkommt und daher charakteristisch ist für die Architektur der gesamten GPCR-Familie.

Zudem haben sie in den Bindungstaschen dieser Rezeptoren einen Universalstecker für andockende Moleküle gefunden. Das Wissen um diese im Lauf der Evolution konservierten Baumerkmale kann für die Entwicklung neuer Medikamente von erheblichem Nutzen sein. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher in einem Review-Artikel im renommierten Wissenschaftsmagazin Nature.

Rezeptoren sind komplexe Biomoleküle aus Proteinen, die in der Aussenhaut der Zelle, der Zellmembran, eingelagert sind. Sie bestehen aus tausenden von Atomen und haben eine definierte räumliche Struktur, die ihre Funktion bestimmt. Als eigentliche Schaltzentralen der Zellkommunikation erkennen sie Reize oder Botenstoffe, die von aussen an die Zelle gelangen, und übertragen die Information über das angekommene Signal ins Zellinnere. Die Familie der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR) umfasst rund 800 verwandte Sensoren, die im Körper unterschiedlichste Aufgaben übernehmen: Sie verarbeiten Licht-, Geruchs- und Geschmacksreize, vermitteln die Wirkung zahlreicher Hormone, darunter Adrenalin und Histamin, und erkennen Hirnbotenstoffe wie Dopamin oder Serotonin.

Bindet ein Botenstoff an den für ihn bestimmten GPCR, wird das Biomolekül aktiviert. Dadurch verändert sich seine Form derart, dass auf der Innenseite der Membran ein so genanntes G-Proteinmolekül andocken kann. Die Bindung des G-Proteins an den Rezeptor löst eine Reihe von biochemischen Vorgängen aus, die je nach Zelltyp zu unterschiedlichen Antworten führen.

Molekulare Signatur der GPCR-Familie

In den letzten 20 Jahren hat die Strukturbestimmung im Bereich der GPCR enorme Fortschritte gemacht, so dass heute die detaillierte Bauweise von 17 wichtigen Rezeptoren dieser Familie geklärt ist. GPCR bestehen generell aus insgesamt sieben aneinandergehängten, stangenförmigen Molekülteilen, die von aussen ins Innere der Zelle hineinreichen. Innerhalb dieses Gebildes sorgen feine elektrostatische Kräfte dafür, dass sich zwischen räumlich benachbarten Molekülstangen Kontakte ausbilden, die die Nanomaschine zusammenhalten.

Forscher des Paul Scherrer Instituts und des MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge ist es nun gelungen, die bekannten Rezeptorstrukturen auf atomarer Ebene zu vermessen und für jede der Komponenten die exakten Positionen der Kontakte zu ermitteln, die zwischen den einzelnen Molekülstangen ausgebildet sind. Anschliessend haben die Wissenschaftler die gewonnenen Daten systematisch verglichen und konnten 24 gemeinsame Kontakte identifizieren, die in allen untersuchten Rezeptorstrukturen vorkommen und stets zwischen denselben Schlüsselpositionen im Molekül ausgebildet sind. «Man kann sich diese Kontakte als ein Gerüst von feinen Verstrebungen vorstellen, das im Lauf der Evolution konserviert wurde und charakteristisch ist für die Architektur der gesamten GPCR-Familie», erklärt Xavier Deupi, Strukturbiologe am Labor für Biomolekulare Forschung des PSI.

Die Forscher entdeckten auch Ähnlichkeiten in den Bindungstaschen verschiedener GPCR. Hier allerdings fokussierten sie sich auf Kontakte zwischen den Rezeptoren und ihren gebundenen Liganden, also den Signalmolekülen, die in der Bindungstasche andocken. «Die Bindungstaschen verschiedener Rezeptoren unterscheiden sich zwar stark je nach Grösse und Form der Liganden. Dennoch konnten wir tief am Boden der Tasche eine Art Universalstecker identifizieren. Der Stecker umfasst vier Stellen im Protein, die zusammen stets vier Kontakte zum Liganden bilden – unabhängig davon, wie der Ligand im Einzelfall beschaffen ist», erläutert Deupi. Da der Universalstecker in allen Rezeptoren erhalten ist, gehen die Wissenschaftler davon aus, dass dieser Bereich der Bindungstasche eine entscheidende Rolle bei der Aktivierung der GPCR spielt.

Vergleichende Analyse von Proteinstrukturen

Für ihre Untersuchungen haben die Forscher ein Verfahren entwickelt, das es erlaubt, die Information über die räumliche Struktur von Proteinen auf das Muster der Kontakte innerhalb der Moleküle zu reduzieren. Um die gewonnen Muster vergleichen zu können, verwendeten sie die Methode der Netzwerkanalyse, die Bioinformatikern für gewöhnlich dazu dient, Interaktionen in biologischen Netzwerken zu studieren. «Dieser Ansatz erlaubt es uns erstmals, verwandte Rezeptorstrukturen unbefangen zu betrachten und Ähnlichkeiten herauszufiltern. Natürlich kamen dabei Kontakte heraus, die bereits bekannt waren. Damit konnten wir die Methode validieren. Die verbleibenden Kontakte, weit mehr als die Hälfte, haben wir effektiv neu entdeckt, darunter auch die Kontakte zwischen Universalstecker und Liganden», sagt Gebhard Schertler, Leiter des Forschungsbereichs Biologie und Chemie am PSI.

Ansatzpunkt für die Entwicklung neuer Medikamente

GPCR sind bei etlichen Prozessen im Körper involviert. Sie agieren als Lichtsensoren in unseren Augen, ermöglichen uns das Riechen und Schmecken, steuern Angst- und Stressreaktionen und regulieren unsere Gefühlszustände. Deshalb ist die GPCR-Familie von grossem Interesse für die pharmazeutische Forschung. «Die bessere Kenntnis der Rezeptorstrukturen und das Wissen um die gemeinsamen Baucharakteristiken trägt einerseits zu einem besseren Verständnis fundamentaler Lebensvorgänge bei. Andererseits bilden die Ergebnisse auch die Grundlage für die Computer-gestützte Entwicklung neuer Wirkstoffe. Unsere Resultate können etwa helfen, bessere Modelle von GPCR zu erstellen – auch von solchen, deren räumliche Struktur noch gar nicht im Detail geklärt ist», erklärt Deupi.

Rund die Hälfte aller heute verfügbaren Medikamente wirken, indem sie an GPC-Rezeptoren binden und deren Aktivität beeinflussen. Bekannte Beispiele sind die als Beta-Blocker geläufigen Blutdruckmittel, entzündungshemmende Wirkstoffe wie Anti-Histaminika, verschiedene Psychopharmaka und Migränemittel.

Text: Michael Keller

Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Mensch und Gesundheit, sowie Energie und Umwelt. Mit 1500 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 300 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

PSI auf Twitter: http://www.twitter.com/psich_de


Kontakt / Ansprechpartner
Prof. Gebhard Schertler, Leiter des Forschungsbereichs Biologie und Chemie
Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 4265; Mobil: +41 79 543 7838,
E-Mail: gebhard.schertler@psi.ch [Deutsch, Englisch]
Dr. Xavier Deupi, Forschungsgruppenleiter
Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 3337; E-Mail: xavier.deupi@psi.ch [Englisch, Katalanisch, Spanisch]
Originalveröffentlichung
Molecular signatures of G-protein-coupled receptors
A. J. Venkatakrishnan, Xavier Deupi, Guillaume Lebon, Christopher G. Tate, Gebhard F. Schertler & M. Madan Babu

Nature 494, 185–194 (14 February 2013) doi:10.1038/nature11896 http://dx.doi.org/10.1038/nature11896

Weitere Informationen:

http://psi.ch/ea7U
- Mitteilung auf der Seite des PSI mit weiterer Abbildung

http://www.psi.ch/lbr/laboratory-of-biomolecular-research
- Labor für Biomolekulare Forschung am Paul Scherrer Institut

http://www.psi.ch/lbr/schertler_-gebhard
- Gebhard Schertlers Forschungsgruppe

http://www.psi.ch/lbr/deupi_-xavier
- Xavier Deupi Forschungsgruppe

http://mbgroup.mrc-lmb.cam.ac.uk
- Madan Babus Labor in Cambridge

Dagmar Baroke | idw
Weitere Informationen:
http://www.psi.ch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Kupferhydroxid-Nanopartikel schützen vor toxischen Sauerstoffradikalen im Zigarettenrauch
30.03.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Nierentransplantationen: Weisse Blutzellen kontrollieren Virusvermehrung
30.03.2017 | Universität Basel

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: Atome rennen sehen - Phasenübergang live beobachtet

Ein Wimpernschlag ist unendlich lang dagegen – innerhalb von 350 Billiardsteln einer Sekunde arrangieren sich die Atome neu. Das renommierte Fachmagazin Nature berichtet in seiner aktuellen Ausgabe*: Wissenschaftler vom Center for Nanointegration (CENIDE) der Universität Duisburg-Essen (UDE) haben die Bewegungen eines eindimensionalen Materials erstmals live verfolgen können. Dazu arbeiteten sie mit Kollegen der Universität Paderborn zusammen. Die Forscher fanden heraus, dass die Beschleunigung der Atome jeden Porsche stehenlässt.

Egal wie klein sie sind, die uns im Alltag umgebenden Dinge sind dreidimensional: Salzkristalle, Pollen, Staub. Selbst Alufolie hat eine gewisse Dicke. Das...

Im Focus: Kleinstmagnete für zukünftige Datenspeicher

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Chemikern der ETH Zürich hat eine neue Methode entwickelt, um eine Oberfläche mit einzelnen magnetisierbaren Atomen zu bestücken. Interessant ist dies insbesondere für die Entwicklung neuartiger winziger Datenträger.

Die Idee ist faszinierend: Auf kleinstem Platz könnten riesige Datenmengen gespeichert werden, wenn man für eine Informationseinheit (in der binären...

Im Focus: Quantenkommunikation: Wie man das Rauschen überlistet

Wie kann man Quanteninformation zuverlässig übertragen, wenn man in der Verbindungsleitung mit störendem Rauschen zu kämpfen hat? Uni Innsbruck und TU Wien präsentieren neue Lösungen.

Wir kommunizieren heute mit Hilfe von Funksignalen, wir schicken elektrische Impulse durch lange Leitungen – doch das könnte sich bald ändern. Derzeit wird...

Im Focus: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Nierentransplantationen: Weisse Blutzellen kontrollieren Virusvermehrung

30.03.2017 | Biowissenschaften Chemie

Zuckerrübenschnitzel: der neue Rohstoff für Werkstoffe?

30.03.2017 | Materialwissenschaften

Integrating Light – Your Partner LZH: Das LZH auf der Hannover Messe 2017

30.03.2017 | HANNOVER MESSE