Biochemie der Signaltransduktion/ Neurosensorische Prozesse

Forschung in der AG Biochemie Signaltransduktion / Neurosensorische Prozesse

Phototransduktion

Photorezeptorzellen der Wirbeltiernetzhaut sind exquisite Lichtdetektoren. Mit der Registrierung einzelner Photonen erreichen sie die Grenze physikalischer Messbarkeit. Absorption von Licht und die ersten Schritte der Informationsverarbeitung in der Netzhaut erfolgen in den Außensegmenten der Photorezeptorzellen. Licht wird von dem Sehfarbstoff Rhodopsin (Stäbchen) absorbiert, dieser Vorgang triggert die Aktivierung einer nachgeschalteten Signalkaskade, die innerhalb von einigen hundert Millisekunden den Abbau des intrazellulären Botenstoffes cyclo GMP steuert (Abb. 1). Zeitlich etwas später verringert sich auch die zytoplasmatische Ca2+-Konzentration in der Zelle. Die Konzentration der beiden Botenstoffe cyclo GMP und Ca2+ sind durch mehrere Regelkreise fein aufeinander abgestimmt (Ca2+-Feedback, Abb. 2). Diese für die Zelle wichtigen Regulationsmechanismen werden durch neuronale Calcium-Bindungsproteine wie Recoverin und den GCAPs (guanylate cyclase-activating protein) oder durch ubiquitäre Calcium-Bindungsproteine wie Calmodulin oder S100 b gesteuert und moduliert. So wird die Lichtempfindlichkeit der Photorezeptorzellen (Adaptation) wesentlich über eine Änderung der intrazellulären Ca2+-Konzentration reguliert. Calcium-Bindungsproteine detektieren diese Änderung der zytoplasmatischen Ca2+-Konzentration und übertragen das Signal auf nachgeschaltete Zielproteine. Diese Vorgänge finden an der Oberfläche der in den Sehzellen vorhandenen Disk -oder Plasmamembran statt.

Die Arbeitsgruppe Biochemie versucht, die molekularen Mechanismen dieser Signalweiterleitung zu entschlüsseln und die physiologische Rolle von Calcium-Bindungsproteinen bei der Lichtadaptation aufzuklären. Im Vordergrund stehen dabei Untersuchungen über Protein-Protein-Wechselwirkungen und Struktur- /Funktionsbeziehungen retina-spezifischer Proteinkomplexe. Laufende Forschungsprogramme und geplante Forschungsziele sind in diesem Zusammenhang:

  • Interaktionsstudien neuronaler Calcium-Sensoren (Recoverin, GCAPs) und ihrer Zielproteine (Rhodopsinkinase, membranständige Guanylatcyclasen) mit Hilfe von Oberflächen-Plasmon-Resonanz Spektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie und isothermer Titrationskalorimetrie
  • Strukturaufklärung von Recoverinmutanten und Proteinkomplexen
  • Synthese und Durchmusterung von Peptidbibliotheken, um Interaktionsdomänen zu identifizieren
  • Isolierung und proteinchemische Charakterisierung bisher unbekannter Photorezeptorproteine; zelluläre Lokalisation und Aufklärung ihrer Funktion bei der Lichtwahrnehmung

Abb. 1: Lichtaktivierte Signalkette in Photorezeptorzellen

Absorption von Licht überführt den Sehfarbstoff Rhodopsin (Rh) in die aktive Form Metarhodopsin II (Rh*). Rh* katalysiert an einem heterotrimeren G-Protein (Transducin, Tαβγ) den Austausch von GDP zu GTP. Die so aktivierte Tα-Untereinheit interagiert mit einer Phosphodiesterase (PDE), die mit einer hohen Umsatzrate den intrazellulären Botenstoff cGMP hydrolysiert. Das intrazelluläre Zielmolekül für cGMP ist ein zyklisch Nukleotid-gesteuerter Ionenkanal in der Plasmamembran der Zelle. Dieser wird durch direkte Bindung von cGMP geöffnet (Dunkelzustand der Zelle) und schließt, wenn die zytoplasmatische Konzentration von cGMP sinkt. Dadurch wird auch der Einstrom von Ca2+ gestoppt. In der Folge sinkt daher die intrazelluläre Ca2+-Konzentration (kontinuierlicher Export von Ca2+ über einen Austauscher).

Abb. 2: Ca2+ -Feedback

Das Absinken der intrazellulären Ca2+-Konzentration nach Belichtung wird von Ca2+-Sensorproteinen detektiert. Dazu zählen insbesondere GCAP-1 und GCAP-2, die zwei in Sehzellen vorkommene membranständige Guanylatcyclasen bei niedrigen Ca2+-Konzentrationen aktivieren. Ein anderer Ca2+-Sensor ist Recoverin (Rec), das bei hohen Ca2+-Konzentrationen die Rhodopsinkinase (RhK) inhibiert. Sinkt die Ca2+-Konzentration, dissoziiert der inhibierte Komplex, Rhodopsin (Rh) wird phosphoryliert und dadurch abgeschaltet.

 

 

 

LITERATUR:

Koch, K.-W. (2006) Different biochemical properties of guanylate cyclase-activating proteins allow fine tuning of phototransduction. Neuronal Calcium Sensor Proteins (Philippov, P.P. and Koch, K.-W. Eds.) Nova Publishers, pp229-241

Koch, K.-W., Duda, T. and Sharma R. K. (2010) Ca2+ -modulated vision-linked ROS-GC guanylate cyclase transduction machinery. Mol Cell Biochem. 334, 105-115

Behnen, P., Dell'Orco, D. and Koch, K.-W. (2010) Involvement of the calcium sensor GCAP1 in hereditary cone dystrophies. Biol Chem. June, 391(6):631-637