Membranproteinbiochemie
Unser Labor untersucht, wie Proteine und Lipide zusammenwirken, um Zellmembranen aufzubauen, zu erhalten und zu schützen, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf dem ERAD (ER-assoziierten Proteinabbau) liegt, dem Qualitätskontrollweg des endoplasmatischen Retikulums, der abnormale Membran- und Sekretionsproteine erkennt und eliminiert.
Das endoplasmatische Retikulum (ER) ist das Produktions- und Qualitätskontrollzentrum für viele Membran- und Sekretionsproteine und der Hauptort der Lipidsynthese. Fehler hier können sehr störend sein. ERAD schützt das ER, indem es fehlerhafte Proteine identifiziert, sie mit Ubiquitin markiert und sie zur Zerstörung an das Proteasom weiterleitet. Die Membran stellt besondere Herausforderungen: Proteine im Inneren des ER-Lumens müssen zurück durch die Membran (Retrotranslokation) zum Zytosol transportiert werden, um mit Ubiquitin markiert zu werden, während integrale Membranproteine vor dem Abbau aus der Lipid-Doppelschicht extrahiert werden müssen.
Wir konzentrieren uns auf zwei miteinander verbundene Fragen. Erstens: Wie erkennt ERAD fehlgefaltete oder fehlplatzierte Membranproteine und führt die Retrotranslokation und Extraktion durch? Zweitens: Wie beeinflusst die Lipidzusammensetzung des ERAD und wie verändert ERAD wiederum die Membranzusammensetzung durch den Abbau von Lipid-metabolisierenden Proteinen? Wir gehen diese Fragen mit rekonstituierten Systemen an, die aus definierten Lipiden und gereinigten Proteinen zusammengesetzt sind. Dieser Ansatz ermöglicht uns eine präzise Kontrolle über wichtige Variablen, sodass wir Mechanismen aufdecken können, die in Zellen oft verborgen bleiben. Wir wenden auch strukturelle Methoden an, um zu visualisieren, wie sich ERAD-Komponenten zusammenfügen und ihre Konformation verändern, und wir führen Experimente mit Hefe durch, um Mechanismen in lebenden Zellen zu validieren und ihre Konservierung im Laufe der Evolution zu untersuchen.
Mit Hilfe dieser Systeme konnten wir zeigen, dass die Ubiquitin-Ligase Hrd1 einen gated Retrotranslokationskanal bildet und dass ihre Aktivität durch Zyklen der Autoubiquitinierung und Deubiquitinierung gesteuert wird. Außerdem haben wir Mechanismen entdeckt, die es ERAD-Enzymen ermöglichen, Ubiquitin an Nicht-Lysin-Reste wie Serin und Threonin zu binden. Darüber hinaus haben wir festgestellt, dass die Ubiquitin-Ligase Doa10 als Dislokase fungiert und mit dem ATP-betriebenen Motor p97/Cdc48 zusammenarbeitet, um die Extraktion von Membranproteinen aus der Doppelschicht zu erleichtern. Wir arbeiten weiterhin daran, die genaue Rolle dieser Dislokaseaktivität innerhalb von ERAD zu entschlüsseln. Im weiteren Sinne haben wir festgestellt, dass mehrere Komponenten des ERAD-Ubiquitinierungsapparats äußerst empfindlich auf Lipide reagieren: Einige erkennen globale Membraneigenschaften wie die Membranpackung, während andere ihre Aktivität als Reaktion auf bestimmte Lipidmoleküle wie Cholesterin verändern. Unser Ziel ist es, allgemeine Prinzipien zu etablieren, die die Membranbiophysik mit der Proteinqualitätskontrolle verbinden, und diese Erkenntnisse in Zellen und Organismen zu testen.
This project has received funding from the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (grant agreement No 677770).