Structure, Function and Regulation of the Myofibrillar Z-disc Interactome

Sarkomere sind die Bausteine der gestreiften Muskulatur. Sie bestehen aus hochstrukturierten, dicken (Myosin- basierten) und dünnen (Actin-basierten) Filamenten, welche sich während einer Muskelkontraktion gegeneinander verschieben. Eine funktionell sehr komplexe Untereinheit eines Sarkomers ist die Z-Scheibe, die die lateralen Grenzen zwischen benachbarten Sarkomeren bildet. Diese Regionen spielen eine zentrale Rolle in der Organisation von dicken Filamenten und Titin zu einer molekularen Maschinerie, die für Muskelkontraktionen benötigt wird. Neben den Hauptkomponenten (Actinfilamente, Alpha-Actinin und Titin) besteht die Z-Scheibe noch aus weiteren Proteinen. Sie dient als Plattform für ein enorm komplexes und dynamisches Netz von Interaktionen. Das Ziel des vorgeschlagenen Forschungsprojektes ist die Generierung neuer struktureller Information auf molekularem Level von ausgewählten Komplexen zweier essentieller Komponenten der Z-Scheibe: Alpha-Actinin und Filamin C sowie zwei Bindungspartner der Adaptoren, Myopodin und Calsarcin/FATZ/Myozenin, welche beide an Alpha- Aactinin und Filamin C binden und von deb Partnergruppen P1, P2, P10 parallel funktionell charakterisiert werden. Adaptorproteine spielen eine wichtige Rolle für Aufbau und Signalübertragung des Zytoskeletts, indem sie Proteine mit unterschiedlichen Funktionen physisch verbinden. Wir wollen zuerst binäre Interaktionen charakterisieren und anschließend dreifache und höhere Komplexe studieren, um Modelle für die Bindung von Adaptorproteinen an multiple Liganden zu erstellen. Wir werden eine Kombination von stukturellen und biophysikalischen Methoden zur Charakterisierung dieser Interaktionen verwenden. Neben hoch- und niedrigauflösenden strukturellen Techniken (Kristallographie, NMR, small angle X-ray scattering) und gängigen Bindungsexperimenten (ITC, SPR), werden wir Massenspektrometrie nutzen, um die Interaktion zwischen Bindungspartnern zu charakterisieren und die niedrigauflösenden strukturellen und funktionellen/mutationellen Untersuchungen zu ergänzen. Die strukturelle Charakterisierung werden wir mit den in vivo und in vitro gewonnenen funktionellen Informationen der Netzwerkpartner vergleichen. Auf verschiedenen Ebenen, von der Detailentwicklung funktioneller Konstrukte und deren funktioneller Analyse in vivo und in vitro bis zur proteomischen Analyse des Z-Scheiben Interaktoms, wird die Forschung daher in enger Zusammenarbeit mit Zellbiologie- (P1, P2, P10), Proteomics- (P4), Biophysik- und Strukturbiologiegruppen (P5, P7, P8, P9) des Netzwerks durchgeführt werden.

Wir berichten über die Charakterisierung der Myopodin Herzmuskel Isoform im Komplex mit Synemin, VPS18 und a-Aktinin-2, durch eine Kombination verschiedener strukturbiologischer Techniken Makromolekulare Kristallographie, Kernspinresonanz und biochemische Verfahren. Zusammen geben sie Aufschluss über die Rollen verschiedener Proteine während den Prozessen der Autophagie und Z-Scheiben Aufbau. Darüber hinaus berichten wir über strukturelle Daten, die anhand der a-actinin-2 Verordnung, die anhand der Interaktion zwischen calsarcin/FATZ/myozenin - a-Aktinin-2 generiert wurden, und auch anhand struktureller und biophysikalischer Analysen ausgewählter Filamin C Domänen Mutanten, die in MFM Mutationen involviert sind, was die molekulare Basis für die Proteinaggregation liefert, die erkrankte Patienten aufweisen. Bewegung ist essenziell für alle lebenden Organismen, das reicht vom Transport einzelner Moleküle innerhalb von Zellen bis zur Bewegung eines ganzen Organismus. In Wirbeltieren sind Skelettmuskeln essenziell für alle bewussten Bewegungen wie zum Beispiel gehen, laufen, schwimmen oder fliegen. Unbewusste Bewegungen, wie zum Beispiel die im Herzmuskel, die eine Kontraktion des Herzens (Herzschlag) bewirken, oder solche, die in glatten Muskeln stattfinden und (Darm-)Peristaltik auslösen, sind genauso fundamental für die Lebensfähigkeit eines Organismus. Sarkomere sind die kleinsten zellulären Einheiten hinter der Tätigkeit von Skelett- und Herzmuskeln. Darüber hinaus sind dysfunktionelle Sarkomere verantwortlich für eine ganze Reihe an Krankheiten, die die Lebensqualität vermindern und somit auch auf dem Gesundheitswesen lasten. Die Z-Scheibe ist eine der funktionell komplexesten Unterkompartiments der Sarkomere und bildet die lateralen Abgrenzungen zwischen benachbarten Sarkomeren, in denen antiparallele Aktinfilamente von benachbarten Sarkomeren gekoppelt sind über ?-Aktinin, welches wiederum an den molekularen Maßstab Titin und andere Z-Scheiben Proteine bindet.Die faszinierende Anziehung und Herausforderung der Z-Scheibe ist die Vielseitigkeit der Protein-Protein Interaktionen. In diesem Projekt ist das Ziel die strukturelle Charakterisierung von ausgewählten Z-Scheiben Proteinen, im Besonderen von Myopodin und dessen Interaktionen mit anderen in den molekularen Mechanismus des Mechanosensing in quergestreiften Muskeln involvierten Proteine.