Transportzyklus des ABC Transporters ABCB1

Bewegung und Dynamik sind essentiell für die Funktion molekulare Maschinen wie den Membrantransportern. In diesem Forschungsprojekt sollen die strukturellen und dynamischen Aspekte des Transport-Zyklus von ABCB1, eines humanen multispezifischen ABC Exporters, untersucht werden, der sowohl Resistenz verleiht als auch mit der Pharmakokinetik vieler Medikamente interferiert. Die Kristallstrukturen von drei ABC Exporter (Sav1866, MsbA und Maus ABCB1) wurden gelöst. Die Strukturen erlauben einen ersten Einblick in die konformationellen Änderungen während des Substanztransportes. Computerbiologie hat sich als hervorragendes Mittel erwiesen, um statische Kristallstrukturen in Bewegungen zu übersetzen und gemeinsam mit biochemische Daten in ein dynamisches Gesamtbild auf molekularer Ebene zusammenzuführen. Das zentrale Ziel dieses Forschungsprojektes ist die strukturelle Charakterisierung der einzelnen Zuständen des Transport-Zyklus unter Verwendung von Methoden computergestützte Modellierung mit molekularbiologischer Experimenten. Das zentrale Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Identifzierung des Eingangspfades für Substrate, die Untersuchung der breiten, aber klar preferenziellen Spezifität für amphiphile kationische Substanzen, die Charakterisierung der struktureller Änderungen, die durch Substratbindung und ATP Bindung sowie ATP Hydrolyse induziert werden, und der Kommunikation zwischen Transmembran-Domänen und Nukleotid-Bindungdomänen, die als Herzstuck des Substrattransportes angesehen werden können. Ergebnisse dieses integrativen Projektes, welches umfangreiche Computersimulationen mit Experimenten verbindet, sollten es ermöglichen, die Struktur und Dynamik zu beschreiben, die dem Substanztransport zugrunde liegt, und unser Verständnis der Selektivität zu verbessern.

Das human Genome codiert für 44 ABC Exporter. Allen Exportern ist gemein, dass sie zwei Transmembran-Domänen besitzen, die Substrate binden und transportieren und dass sie zwei Nukleotidebinde-Domänen besitzen, welche ATP binden und hydrolysieren. Der Focus dieses Forschungsprojektes liegt auf dem Multidrug Resistance Transporter P-glycoprotein (ABCB1). Das Ziel ist eine strukturelle Charakterisierung der verschiedenen Konformationen des Transportzyklus wobei computerunterstütze Methoden mit in vitro Zell-Experimenten verbunden wurden. Wir konnten den Ort der Bindung von Propafenonen und verwandten Verbindungen in der sehr großen Bindetasche von ABCB1 identifizieren. Es ist für ABC Transportern hinlänglich bekannt, dass die Bindung von ATP und dessen Hydrolyse den Transport von Substrate antreibt. Wir habe in dieser Forschungsprojekt herausgefunden, dass ATP-Bindung von den Aminosäuren die in der ATP Bindungstasche abhängt. The Stärke der Bindung ist geringer, wenn es sich um eine degenerierte Bindungstasche handelt, wie diese in vielen ABC Transportern vorkommt. Bindung ist stärker in Transportern mit typische im Vergleich zu Transportern mit degenerierter Bindetasche. Es herrscht keine Konsens über vielen der strukturellen Details der konformationellen Änderungen, die mit dem Transport Zyklus zusammenhängen, obwohl es einige Kristallstrukturen von Transportern aus der ABCB Unterfamilie gibt. Wir haben herausgefunden, dass ABCB1 in der Zellmembran eine andere Konformation einnimmt als die Kristallstrukturen zeigen. Die Transmembran-Domänen zeigen keine Separation. Wir konnten auch zeigen, dass ABCB1 funktionell bleibt, wenn wir die beiden Domänen chemisch an der extrazellulären Seite miteinander verbinden, sodass diese sich nicht mehr voneinander trennen können.ABCB1 wird an der Blut-Hirn-Schranke, dem Verdauungstrakt, der Niere, der Leber, den Hoden und in den Makrophagen exprimiert und transportiert eine außergewöhnlich große Zahl an strukturell unterschiedlichsten Substanzen. Krebszellen können Resistenz gegen die Chemotherapie entwickeln, wenn diese ABCB1 zu exprimieren beginnen. Viele ABC Transporter stehen ursächlich mit Krankheiten in Verbindung. Pharmakologische Modulation der Funktion von ABC Transporter kann ein therapeutisches Prinzip für zahlreiche Krankheitsbilder sein, die mit ABC Transporter zusammenhängen. Es kann von Vorteil sein, ABC Transporter in der Krebstherapie zu inhibieren, im besonderen ABCB1 und ABCG2. Mutationen von ABC Transportern hängen mit den Krankheiten wie Gicht (ABCG2), Cholestase (ABCB11) oder zystische Fibrose (ABCC7) zusammen. Das Wissen über die dominanten Konformationen der Transporter wird es ermöglichen, Methoden des Rationalen Drug Design anzuwenden, um dieser mutationsbedingte Faltungsdefizienz mittels Pharmakochaperoning entgegenzuwirken und darauf ein Therapeutikum zu entwickeln.