Regulierung von alpha-Arrestinen in der Endozytose von GPCRs

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) sind komplexe Membranproteine, die bereits sehr früh in der Evolution entstanden sind. Deshalb findet man sie in den Plasmamembranen aller eukaryotischer Organismen angefangen bei einzelligen Mikroben wie Hefen bis zu humanen Zellen. Ihre Hauptfunktion besteht darin, wie Antennen auf diverse extrazelluläre Stimuli zu reagieren und somit eine gezielte Reaktion der Zelle auszulösen. Im menschlichen Körper sind sie, vereinfacht ausgedrückt, dafür verantwortlich, dass wir sehen, riechen, schmecken und fühlen können. Medizinisch betrachtet sind GPCRs Angriffsziele vieler aktuell eingesetzter Therapeutika. Werden diese GPCRs jedoch durch medizinische Langzeitbehandlungen längerfristig stimuliert, kann dies zu Entzündungen oder schlimmstenfalls sogar zu unterschiedlichen Krebsarten führen. Die Evolution hat deshalb vielseitige und außergewöhnliche regulatorische Mechanismen entwickelt, um solch extensive Signalweiterleitungen zu unterbinden. Es wurden jüngst spezielle Adaptormoleküle, sogenannte alpha-Arrestine, entdeckt, welche GPCRs aus der Membran entfernen können und somit die Angriffsziele von Medikamenten elegant reduzieren. Um diese höchstinteressante Proteinklasse näher zu erforschen, nutzen wir Hefe als Modellorganismus, da diese einfach und billig in der Handhabung ist und dennoch alle wichtigen zellregulatorische Eigenschaften von menschlichen Zellen aufweist. Es wurde gezeigt, dass die Fähigkeit von alpha-Arrestinen, GPCRs aus den Plasmamembranen zu entfernen, durch spezielle Modifikationen, nämlich durch das Anhängen von Phosphatresten, gestoppt werden kann. Daher werden wir im ersten Teil dieses Antrags den Fokus darauf richten, diesen Vorgang näher zu beleuchten. Der zweite Teil dieses Antrags befasst sich mit der Analyse von zellulären Interaktionspartnern aller alpha-Arrestine, indem wir drei originelle und voneinander unabhängige Analysestrategien einsetzen möchten. Weiters planen wir die Anwendung der gefundenen Resultate auf die Erforschung menschlicher GPCRs mit Hilfe von Hefe. Das Projekt wird anfänglich in Zusammenarbeit mit Prof. Jeremy Thorner an der UC Berkeley durchgeführt, welcher ein Spezialist in der Aufklärung von Signalvorgängen ist und in der zweiten Phase im Labor von Dr. Harald Pichler, einem Experten für Membranproteine, fortgesetzt. Unsere Ergebnisse werden von großer Relevanz für die Pharmaindustrie sein, da es bereits Evidenzen dafür gibt, dass alpha-Arrestine in Zukunft eine große Rolle in der Entwicklung zielgerichteter und potenterer Wirkstoffe spielen. Mit dieser Studie wollen wir die Regulation von alpha-Arrestinen und deren Rolle in der Desensibilisierung von GPCRs dechiffrieren und damit einen wertvollen Beitrag zur Aufklärung eines bisher wenig erforschten, regulatorischen Mechanismus leisten.

Alle Zellen besitzen eine Plasmamembran, welche das Zellinnere vom Zelläußeren trennt. Die Plasmamembranen steuert eine Vielzahl von Mechanismen, wie zum Beispiel die Kommunikation der Zellen mit ihrer Umgebung. Hierfür reagieren oftmals G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) auf unterschiedlichen extrazellulären Stimuli indem sie Signaltransduktionswege aktivieren. Andauernde Stimulation wirkt sich jedoch nachteilig auf die Funktionalität und Lebensfähigkeit von Zellen aus. Die Evolution hat deshalb außergewöhnliche regulatorische Mechanismen entwickelt, um Signalweiterleitungen zu unterbinden. In Säuger- als auch Hefezellen gibt es spezielle Adaptormoleküle, sogenannte -Arrestine, welche maßgeblich an der Herunterregelung von GPCRs beteiligt sind. Ziel des Projektes war, mit Hilfe von Hefe als Modellorganismus die Rolle von alpha-Arrestinen und deren in der Endozytose von GPCRs zu dechiffrieren. Mithilfe der Entwicklung einer raffinierten Fluoresenztechnologie, der FAP-Technologie, konnten Hefe-GPCRs hochaufgelöst visualisiert werde. Dies ermöglichte die Gewinnung wichtiger Erkenntnisse zu den Wirkungsmechanismen von alpha-Arrestinen in der Herunterregulierung von GPCRs. Da GPCRs die Angriffsziele vieler aktuell eingesetzter Therapeutika sind, könnten unsere Ergebnisse große Relevanz für die Pharmaindustrie spielen.