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Dr. Patrick Giavalisco

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Abteilung Willmitzer

Experimentelle Systembiologie

Ziel der Projektgruppe von Dr. Patrick Giavalisco ist die systematische wie auch systemische Analyse von Signalen und interzellulärer Kommunikationsformen, die Entwicklungsprozessen wie dem zellulären Wachstum zugrunde liegen.

Unser Fokus liegt auf der molekularen Analyse des Signalwegs, der durch das Protein „Target of Rapamycin“ (kurz TOR) gesteuert wird. TOR ist ein sehr großes Protein (270 kDa) aus der Familie der Kinasen, genauer gesagt eine Serin/Threonin-Proteinkinase aus der Familie der phosphoinositolkinase-abhängigen Kinasen. In sämtlichen bisher untersuchten eukaryotischen Lebewesen wurde TOR als essentielles Protein eingestuft.

TOR-Signalweg dient der Kommunikation innerhalb der Zelle

TOR fungiert in der Zelle nicht nur als Sensor, sondern auch als Vermittler. Das bedeutet: Signale (zum Beispiel die Menge bestimmter Nährstoffe) müssen gemessen und diese Informationen an die „biologischen Maschinen“ weitergeleitet werden. So werden etwa unter guten Wachstumsbedingungen neue Ribosomen synthetisiert beziehungsweise bereits vorhandene Ribosomen aktiviert.

TOR steht im Zentrum eines Proteinkomplexes oder mehrerer großer Proteinkomplexe und leitet Informationen von außen an den Zellkern weiter. Bei guter Nährstoffversorgung regt es Wachstum und Zellteilung an, bei Nährstoffmangel aktiviert es Autophagie und Proteinabbau. Bild vergrößern
TOR steht im Zentrum eines Proteinkomplexes oder mehrerer großer Proteinkomplexe und leitet Informationen von außen an den Zellkern weiter. Bei guter Nährstoffversorgung regt es Wachstum und Zellteilung an, bei Nährstoffmangel aktiviert es Autophagie und Proteinabbau.[weniger]

Darüber hinaus werden bestimmte Stoffwechselwege aktiviert, die das Rohmaterial für die Herstellung von zum Beispiel Biomembranen erzeugen. Diese Kommunikationsfunktion wird über den TOR-Signalweg in weiten Teilen gesteuert.

Durch Phosphorylierung kann TOR bestimmte Enzyme an- oder abschalten

Die Kommunikation der Proteine untereinander basiert im Allgemeinen auf unterschiedlichen Modifikationen, unter denen die Phosphorylierungen (das Anheften einer Phosphatgruppe an spezifische Aminosäuren) bestimmter Proteine besonders gut untersucht und verstanden sind. Diese Modifizierungen können die Eigenschaften der Proteine (zum Beispiel ihre Struktur, ihre Interaktion mit anderen Proteinen, ihre Stabilität oder aber ihre enzymatische Aktivität) positiv oder negativ beeinflussen. Wie bereits erwähnt, ist TOR eine Serin/Threonin-Kinase.

Kinasen sind Proteine, die Phosphatgruppen unter bestimmten Bedingungen auf bestimmte Aminosäuren in Proteinen übertragen können. In der Praxis bedeutet dies: TOR erhält von anderen Proteinen oder kleinen Molekülen (zum Beispiel den Stoffwechselintermediaten) Informationen über den Zustand der Wachstumsbedingungen für die Zelle. Diese Informationen leitet TOR an die molekularen Maschinen weiter, die das Zellwachstum voranbringen oder stoppen können.

Wie untersuchen wir unterschiedliche Wachstumsprozesse?

Unser methodischer Schwerpunkt liegt auf der Analyse von Änderungen der Protein- und Metabolit-Zusammensetzung innerhalb der Zelle unter verschiedenen Wachstumsbedingungen. Unser Interesse gilt hierbei speziell der Analyse von Wachstumsprozessen in photosynthetischen Organismen. Unsere Modellorganismen sind zum einen die vielzellige, zweikeimblättrige Blütenpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand), zum anderen die einzellige Grünalge Chlamydomonas reinhardtii.

Analyse der Zellen unter Normal- und Stressbedingungen

Beide Modelle besitzen ein vollständig sequenziertes Genom und in beiden Organismen spielt TOR eine grundlegende Rolle für Wachstum und Entwicklung. Der methodische Ansatz unserer Forschung basiert auf einer differentiellen Analyse. Mit anderen Worten: Wir charakterisieren Zellen sowohl in ihrer normalen Entwicklung als auch unter Stressbedingungen mittels analytischer Methoden.

Rapamycin stört die Funktion von TOR-Proteinen

Hierbei hat sich der TOR-Signalweg als besonders zugänglich erwiesen.Denn wie der Name schon verrät, lässt sich die Funktion von TOR durch eine Chemikalie Namens Rapamycin, die unter anderem vom Erdbakterium Streptomyces hygroscopicus produziert werden kann, ausschalten. Dieser spezifische, pharmazeutische An-/Aus-Schalter ist ein ausgezeichnetes Werkzeug, um den Einfluss von TOR auf das Wachstum zu untersuchen. Neben diesem pharmakologischen Ansatz verwenden wir auch molekulargenetische Verfahren, um TOR oder aber TOR-abhängige Proteine zu untersuchen.

Mit Massenspektrometern der Molekülidentität auf der Spur

Neben der Verwendung klassischer molekularbiologischer und genetischer Techniken basiert unsere zentrale analytische Methode auf dem Einsatz hochauflösender Massenspektrometer. Diese extrem genauen und sensitiven Massenspektrometer sind - in ihrer einfachsten Beschreibung - überaus akkurate Waagen, mit denen sich einzelne Moleküle qualitativ (Identifikation einer Substanz) und quantitativ (Bestimmung seiner Menge) charakterisieren lassen.

Methodisch bedeutet dies, dass wir molekulare Signaturen der Proteine und Metabolite, aber auch von mRNA-Transkripten in einem klar definierten experimentellen Kontext aufnehmen (zum Beispiel vor und nach einer Rapamycin-Behandlung). Ziel ist es, diese systemischen Daten, welche die molekularen Informationen des untersuchten Prozesses beinhalten, systematisch zu analysieren. Die Herausforderung dieser Vorgehensweise liegt in der sehr hohen Komplexität der zu analysierenden molekularen Muster.

Das proteomische/metabolische Profil einer Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt kann mehrere tausend unterschiedliche Signale beinhalten. Um diese komplexen Informationen sinnvoll verwenden und die wichtigen (signifikanten) Änderungen von den unwichtigen (zufälligen) unterscheiden zu können, nutzen wir statistische Verfahren und Filter.

TOR spielt auch bei Krebserkrankungen und Diabetes eine Rolle

Da TOR nicht nur in Pflanzen, sondern auch in sämtlichen anderen höheren Lebewesen wie Insekten, Mäusen und Menschen vorhanden ist, lassen sich unsere Ergebnisse in Zukunft auf ebendiese übertragen und einheitliche oder aber gegenläufige Funktionsweisen identifizieren. Dies ist besonders relevant für die Medizinforschung, da TOR eine zentrale Bedeutung in der Krebs- wie auch in der Diabetesforschung gewonnen hat.

 
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