Struktur und Biologie von Multi-Domänen-Metallothioneinen

Gastropoden (Schnecken) sind eine sehr alte, seit dem Kambrium bekannte Tiergruppe mit hoher Stress- Resistenz und einer außerordentlichen Kapazität zur Entgiftung toxischer Schwermetalle, wie zum Beispiel Cadmium (Cd). Diese Fähigkeit beruht auf der spezifischen Bindung und Inaktivierung von Cd an sogenannte Metallothioneine (MTs). Das sind zumeist niedermolekulare, Schwermetall-bindende Proteine mit typischerweise zwei bis drei strukturellen Untereinheiten (Domänen), von denen jede neun Schwefelatome besitzt, über die jeweils drei zweiwertige Cd-Ionen gebunden werden können. Neueste Untersuchungen haben gezeigt, dass insbesondere moderne Gastropodenarten höhermolekulare Metallothioneine mit bis zu elf Cd- bindenden Domänen besitzen, die als Multi-Domänen-Metallothioneine (md-MTs) bezeichnet werden, und deren Entgiftungskapazität für das toxische Metall dadurch verfielfacht werden kann. Die Expression und Synthese dieser Proteine werden bei Anwesenheit von Cd in der Umwelt innerhalb kurzer Zeit induziert, wodurch der Entgiftungsvorgang noch einmal beschleunigt wird. Bei allen Gastropoden-MTs mit zwei oder drei Domänen unterscheidet sich die am C-Terminus des Proteins situierte Beta 2-Domäne von den restlichen, sogenannten Beta 1-Domänen durch ihre Eigenschaft, die Cd-Beladung durch das Protein zu initiieren und die Cd-Bindung dadurch zu verstärken. Es ist jedoch bislang unklar, ob und inwieweit dies auch für md-MTs gilt, und welche molekularen Mechanismen für diese Initiator-Funktion bei der Cd-Bindung verantwortlich sind. Im vorliegenden Projekt sollen daher bereits bekannte und neue md-MTs einiger Schneckenarten rekombinant exprimiert und gezielt verändert werden, indem die Beta 2-Domäne mit den Beta 1-Domänen vertauscht wird, um zu prüfen, wie sich diese Veränderungen auf die biologische Funktion dieser md-MT-Chimären auswirken. Zu diesem Zweck werden die natürlichen und die chimärisch veränderten md-MTs in Zellkulturen und in lebenden Essigälchen (Caenorhabditis elegans) transformiert, um deren Entgiftungs-Effizienz in unterschiedlichen biologischen Systemen zu überprüfen. Darüber hinaus sollen die Bindungs-Kapazität und die dreidimensionale Struktur dieser md-MTs mit Hilfe von massenspektroskopischen Methoden und mittels NMR (Nuklearmagnetische Resonanz-Spektroskopie) aufgeklärt werden. Wir versprechen uns von den Ergebnissen tiefgreifende Einblicke in die molekularen Mechanismen der Cadmium-Entgiftung und hoffen, dass dadurch das Verständnis für die Zusammenhänge zwischen Struktur und Entgiftungs-Funktion von MTs wesentlich vertieft werden kann. Die Untersuchungen im Rahmen des Projektes sollen von Dr. Reinhard Dallinger und Dr. Veronika Pedrini- Martha am Institut für Zoologie der Universität Innsbruck geleitet und koordiniert werden, wobei eine enge Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern in Innsbruck (Dr. Pidder Jansen-Dürr, Forschungs-Institut für Biomedizinische Alternsforschung), an der Universität Zürich (Dr. Oliver Zerbe, Institut für Biochemie) und an zwei Universitäten in Barcelona (Dr. Mercé Capdevila, Autonome Universität von Barcelona und Dr. Ricard Albalat, Universität von Barcelona) geplant ist.