Forschung

Im Zentrum der wissenschaftlichen Interessen des Instituts stehen die molekularen Grundlagen von Bewegungs- und Transportprozessen im menschlichen Organismus, sowie Erkrankungen durch Mutationen in den für diese Bewegungsprozesse verantwortlichen Motorproteinen.

Zu solchen Bewegungsprozessen gehören der intrazelluläre Transport, Formänderungen von Zellen sowie die Fortbewegung von Zellen und Organismen. Diese vielfältigen Funktionen werden von drei Motorproteinfamilien erfüllt, den Myosinen, die mit Aktinfilamenten interagieren, den Kinesinen und Dyneinen. Letztere erzeugen Kräfte und Bewegungen im Zusammenspiel mit Mikrotubuli. Motorproteine können als Einzelmoleküle agieren, wie etwa beim Transport von Vesikeln, oder sind in komplexen Strukturen wie Myofibrillen oder Flagellen organisiert, um im Zusammenspiel makroskopische Kräfte und Bewegungen zu erzeugen. Durch eine Vielzahl von Erkrankungen wird die Relevanz der Motorproteine verdeutlicht. Diese Erkrankungen sind durch Veränderungen in den Motorproteinen selbst oder in modulierenden Proteinen verursacht.

Beispiele sind die Familiäre Hypertrophische Kardiomyopathie (HCM oder FHC), degenerative Erkrankungen der Motoneurone, die Alzheimer-Demenz oder die Metastasierung von Tumoren. Ziele der Forschungsprojekte sind einerseits die molekularen Grundprinzipien der Erzeugung von Kräften und Bewegungen mittels struktureller Umlagerungen in den Motorproteinen, sowie deren Koppelung an die Hydrolyse von ATP. Ein weiteres Ziel ist aufzuklären, wie Mutationen in Motorproteinen über veränderte Funktion zu Krankheitsbildern wie der familiären hypertrophischen Kardiomyopathie führen. Darüber hinaus erlauben primäre funktionelle Auswirkungen solcher Mutationen Rückschlüsse auf die funktionelle Relevanz einzelner Strukturelemente der Motorproteine. Durch Einführen gezielter Veränderungen und Expression veränderten Motorproteine in geeigneten Expressionssystemen, z.B. E. coli, Dictyostelium discoideum oder Insektenzellen, kann die funktionelle Bedeutung der einzelnen Strukturelemente systematisch aufgeklärt werden. Andererseits können die primären funktionellen Auswirkungen angeborener Mutationen genutzt werden, um Ansatzpunkte für korrigierende pharmakologische Beeinflussung der primären Funktionsstörungen und des resultierenden Krankheitsbildes zu identifizieren.

Um diesen Zielen näher zu kommen haben wir im Jahr 2011 zwei neue Projekte initiiert. In Kooperation mit Heiner Niemann, Institut für Nutztiergenetik am FLI Mariensee, haben wir begonnen ein Grosstiermodell (Schwein) mit einer von uns untersuchten FHC-Mutation in der Kopfdomäne des kardialen Myosins zu etablieren. Dies wird erlauben, die völlig unklare Entwicklung des FHC-Phänotyps systematisch aufzuklären. Darüber hinaus haben wir in Kooperation mit Ulrich Martin und Robert Zweigerdt (LEBAO) begonnen aus Hautfibroblasten von FHC-Patienten, über induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen), Kardiomyozyten zu generieren. Unser Ziel ist über ein solches "Zellmodell" einerseits primäre funktionelle Veränderungen auch ohne skelettmuskuläre und myokardiale Biopsien betroffener Patienten charakterisieren zu können, andererseits, als möglichen innovativen therapeutischen Ansatz, die Mechanismen der ungleichen Expression von Wildtyp- und mutiertem Myosin sowie Wege zur Unterdrückung der Expression mutierten Myosins zu eruieren. Für diese Ziele haben wir weitere notwendige Methoden etabliert, um an kleinsten Proben, z.B. Myofibrillen, oder direkt am Einzelmolekül mittels Laserfalle und TIRF-Mikroskopie auch über iPSC-Kardiomyozyten funktionelle Auswirkungen von FHC-Mutationen erkennen und charakterisieren zu können.