Regulation des Zytoskeletts durch lipid-aktivierte Kinasen

Zellen müssen ihre Form ändern um zu wachsen, sich zu vermehren und zu teilen. Zusätzlich erfüllen viele Zellen sehr spezielle Funktionen: zytotoxische T-Lymphozyten müssen fähig sein Antigene zu erkennen und zytotoxische Enzyme in gezielter und kontrollierter Art und Weise freizusetzen; Fortsätze von Nervenzellen müssen sich auf ihren Bestimmungsort zubewegen können, und Zellen der Bauchspeicheldrüse müssen in der Lage sein Hormone in den Blutkreislauf zu sezernieren. Das Aktomyosin-Zytoskelett ermöglicht es Zellen, ihre Form als Reaktion auf äußere Signale zu ändern. Die Prozesse der Zellmigration und Zelladhesion, der Zellteilung, Chemotaxis und des Vesikeltransports beruhen auf der koordinierten Umgestaltung struktureller Bestandteile innerhalb der Zelle. Um diese Prozesse zu steuern, muss die Zelle fähig sein, extrazelluläre Reize wahrzunehmen, das Signal über die Plasmamembran zu übermitteln und die entsprechenden intrazellulären Antworten einzuleiten. Kinasen die durch Lipide und kleine GTPasen aktiviert werden, kontrollieren essentielle Aspekte der Aktin- und Myosinfunktion in eukaryontischen Zellen. Für pathophysiologische Prozesse wie die Metastasierung von Krebszellen und die Degeneration von Nervenzellen ist ein Zusammenhang mit einer Dysfunktion des Zytoskeletts beschrieben worden. Obwohl inzwischen viele Effektormoleküle identifiziert worden sind und in vielen Fällen außerdem die spezifische Aminosäure, die phosphoryliert wird bekannt ist, bleibt der Mechanismus durch den die Signale über die Membran übermittelt werden weitestgehend unverstanden. Der Mangel an Informationen auf struktureller Ebene über Volllängenkinasen hat bis heute ein komplettes Verständnis bezüglich der Regulation dieser Prozesse verhindert. Dieses Proposal strebt an, dieses Defizit durch die Anwendung biophysikalischer, biochemischer und zellbiologischer Methoden und das Studium der Rock und MRCK Familie der AGC-Kinasen zu beheben. Wir streben an, Antworten auf die folgenden Fragen zu geben: Was ist der oligomere Zustand der aktiven und inaktiven Kinasen in der Zelle? Welches sind die lipiden sekundären Botenstoffe und wie ist eine Membranbindung an die Aktivierung der Kinasen gekoppelt? Wir werden außerdem untersuchen wie diese Kinasen verschiedene membran-basierte Signale integrieren, um eine spezifische nachgeschaltete Antwort auszulösen. Wir hoffen damit die molekularen Details der Kommunikation zwischen Membran und Zytoskelett aufzuklären, ein Prozess der für alle eukaryontischen Zellen von entscheidender Bedeutung ist.

Organismen bestehen aus Millionen spezialisierter Zellen die wichtige, lebenserhaltende Aufgaben erfüllen und helfen auf verschiedenste Umwelteinflüsse zu reagieren. Für jede einzelne Zelle müssen Wachstum, Differenzierung, Stoffwechsel, Form und Fortbewegung reguliert werden, um sicherzustellen, dass alle Prozesse mit hoher Präzision zur richtigen Zeit und am richtigen Ort ablaufen. Kinasen sind Proteine, die Signale übertragen und damit an der Regulierung dieser wichtigen Prozesse beteiligt sind. Mit Hilfe ihrer Kinasedomäne katalysieren sie die Anheftung eines Phosphatmoleküls an ein anderes Protein, wodurch dessen Funktionsweise beeinflusst und verändert wird. Zellmembranen sind dabei wichtige Schnittstellen an denen zahlreiche Kinasen Phosphorylierungen ausüben und reguliert werden. Wir haben in unserer Forschungsarbeit einige essentielle Proteinkinasen und ihre Wirkungsweise und Regulierung an Zellmembranen untersucht. Wir können zeigen, dass die Proteinkinase ROCK, die an der Steuerung der Zellform und der Koordination der Fortbewegung beteiligt ist, über die räumliche Anordnung ihrer Kinasedomäne zum Substrat reguliert wird. Die Kinasedomäne in ROCK ist über eine Spiralkette mit den membranbindenden Domänen verbunden. Die Länge der Spiralkette diktiert dabei, wo die Kinasedomäne in der Zelle positioniert wird und agiert als ein molekulares Maßband. Dabei ist die Länge dieses Maßbandes im Laufe von Millionen von Jahren erhalten geblieben. Wir demonstrieren, dass eine Verkürzung der Spiralkette zum Abbruch der Weiterleitung der Signale in der Zelle führt, obwohl die enzymatische Aktivität von ROCK bestehen bleibt. Es handelt sich hierbei um einen völlig neuen Mechanismus der Regulierung von Kinasen durch eine spezifische räumliche Kontrolle. Akt ist eine weitere Proteinkinase, die unzählige wichtige Prozesse bezüglich Wachstum und Stoffwechsel der Zelle reguliert. Die Aktivierung von Akt wird durch die Kombination zweier Signale erreicht. Erstens bindet Akt an ein kleines Molekül in der Membran, PIP3, und zweitens wird Akt selbst durch zwei andere Proteinkinasen phosphoryliert. Eine wichtige Erkenntnis unserer Studie ist, dass Akt direkt durch die Bindung an PIP3 aktiviert wird, die Phosphorylierung allein jedoch nicht ausreichend ist, um Akt in den aktiven Zustand zu versetzen. Mit anderen Worten, die Aktivität von Akt ist örtlich beschränkt und zwar auf Membranen die PIP3 enthalten. Das hat weitreichende Auswirkungen auf die Kontrolle zellulärer Prozesse. Außerdem gibt unsere Arbeit Aufschluss darüber, wie seltene Mutationen in Krebs und Diabetes die krankhafte Aktivierung von Akt verursachen, die zu gesundheitsschädlichem Wachstum von Zellen und Gewebe führt. Proteinkinase D (PKD) kontrolliert die Sekretion zellulärer Produkte, ein grundlegender Prozess der von einem Zellkompartiment, dem sogenannten Trans-Golgi Netzwerk, gesteuert wird. Wir haben eine zuvor unbekannte Domäne in PKD identifiziert und strukturell charakterisiert. Diese neue, Ubiquitin-ähnliche Domäne (ULD), ist verantwortlich für die Dimerisierung von PKD, ein Vorgang bei dem sich zwei PKD Moleküle zu einer funktionalen Einheit zusammenschließen. Die Dimerisierung ist dabei wesentlich für den Aktivierungsprozess der Proteinkinase PKD. Zusammenfassend präsentiert unsere Forschungsarbeit bedeutende neue Erkenntnisse bezüglich der Regulierung einiger essentieller Signalmoleküle.