Ionenkanäle sind an einer Vielzahl physiologischer Prozesse beteiligt. Das Verständnis der biophysikalischen Mechanismen von Transport und Gating in diesen Proteinen ist daher eine Voraussetzung für die Entwicklung gezielter Therapien für viele verschiedene Krankheiten. Die quantitative Korrelation von Daten aus verschiedenen Quellen, z.B. elektrophysiologischen Experimenten, Strukturbiologie und Computersimulationen, ist für ein umfassendes Verständnis der beteiligten molekularen Prozesse erforderlich.
Wir verwenden elektrophysiologische und analytische und Techniken, um die erwähnte quantitative Korrelation zu verbessern und neue Informationen über die Funktion der Kanäle zu gewinnen. Die Kombination der Methoden ermöglicht ein Wechselspiel zwischen rechnerischen und funktionellen Ansätzen, was zu einer schrittweisen Verbesserung der Modelle auf beiden Seiten führt. Um die Aussagekraft der experimentellen Daten zu maximieren, werden die meisten Experimente im Modellsystem der viralen Kalium-(K+)-Kanäle durchgeführt. Weitere Informationen dazu finden Sie unter Methoden.
Das Gate im Selektivitätsfilter
Der Selektivitätsfilter (SF) ist das zentrale, am höchsten konservierte Element der K+-Kanäle und hat sich als physiologisch relevantes Gate erwiesen. Er wird durch die Besetzung mit K+-Ionen, die den Kanal passieren, und ein komplexes Wasserstoffbindungsnetzwerk moduliert, welches den SF an der Porenhelix verankert. Wir konnten die Besetzung dieser K+-Bindungsstellen in einem funktionierenden Kanal unter nahezu physiologischen Bedingungen bestimmen und die Richtigkeit dieser Ergebnisse anhand der elektrostatischen Abstoßung von TPrA durch die Ionen im SF zeigen. Wir untersuchen Signalkette zwischen der Ionenbindung und dem Gate im Rahmen der DFG-Forschergruppe 2518 "DynIon".
Modularität von Kanalporen
Ionenkanäle sind modulare Proteine. Ihre zentrale Pore kann auch isoliert funktionieren. In den meisten Kanälen übernehmen jedoch zusätzliche Transmembran- oder lösliche Domänen regulatorische Funktionen. Prominente Beispiele sind die spannungsempfindliche Domäne (VSD) und verschiedene Ligandenbindungs Domänen.
Aber auch das Porenmodul selbst ist modular aufgebaut. Die Poren aller K+-, Na+- und sogar einiger Ca2+-Kanäle haben eine bemerkenswert ähnliche Struktur, aber die Evolution hat zu unterschiedlichen Strategien geführt, z.B. für zytosolische Gates. In diesem Projekt werden wir "Funktionsmodule", z.B. ein isoliertes Gate oder den Selektivitätsfilter, von Kcv-Kanälen auf eukaryotische Kanäle und umgekehrt übertragen und untersuchen, ob und wie diese Module ihre Funktion auf den jeweils anderen Kanal übertragen können. Kanalporen als modulare Systeme aus verschiedenen Bausteinen zu verstehen und zu erzeugen, wird ein großer Schritt sowohl zum Verständnis krankheitsrelevanter Mutationen in einem bestimmten Modul im Kontext des gesamten Proteins als auch zum rationalen Protein-Design sein.