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 Diabetesforschung: Neuer Mechanismus zur Regulation des Insulin-Stoffwechsels gefunden
06.12.2016 | Universität Osnabrück

nachricht Was nach der Befruchtung im Zellkern passiert
06.12.2016 | Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt

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: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Weiterbildung zu statistischen Methoden in der Versuchsplanung und -auswertung

06.12.2016 | Seminare Workshops

Bund fördert Entwicklung sicherer Schnellladetechnik für Hochleistungsbatterien mit 2,5 Millionen

06.12.2016 | Förderungen Preise

Innovationen für eine nachhaltige Forstwirtschaft

06.12.2016 | Agrar- Forstwissenschaften