Molekulare Mechanismen der Membranreparatur mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung

• Antragsteller: Professor Dr. Gerd Ulrich Nienhaus; Sepand Rastegar, Ph.D., seit 4/2021
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 260752559

Die Membran von Muskelzellen erleidet durch Scherkräfte kleine Läsionen. Diese müssen durch einen Reparaturpfropfen (Pfropfen) geschlossen werden, um den Zelltod zu verhindern. Obwohl wir in den letzten Jahren viel über Membranreparatur gelernt haben, weiß man über viele Kernaspekte noch sehr wenig. Fast alle Studien hierzu verwenden die Zellkultur, einzellige Seeigel- oder Froscheier bzw. syncytiale Embryonen der Fruchtfliege als Modell.Um die Reparatur der Zellmembran im natürlichen Kontext des Muskels zu studieren, haben wir den Zebrafisch gewählt. Als Larve ist er transparent, wodurch eine Analyse von geschädigten Muskelzellen in vivo und in Echtzeit möglich ist. Um diese Prozesse bis auf das Niveau von einzelnen Molekülen zu visualisieren, haben wir hochauflösende Methoden der optischen Mikroskopie etabliert. Zusätzlich haben wir ein Gerät entwickelt, um korrelativ die Fluoreszenzmikroskopie und die Elektronentomographie eines Pfropfens zu kombinieren. Kürzlich konnten wir zeigen, dass die Anreicherung von Phosphatidylserin (PS) im Pfropfen von Dysferlin (Dysf) abhängig ist und PS benötigt wird, damit Makrophagen diesen entfernen können. Zudem haben wir Hinweise, dass Dysf und PS von der intakten, angrenzenden Membran zur Läsion transloziert werden. Da Dysf mit caveolaren Proteinen interagieren kann, nehmen wir an, dass Caveolae ein Reservoir für Dysf und PS sein könnten und von dort rekrutiert werden.Das Ziel des Antrages ist, die molekularen Mechanismen der Membranreparatur besser zu verstehen. Die Kernfragen sind: 1. Bewegen sich Dysf und PS von den Reservoiren in der angrenzenden, intakten Membran zur Läsion hin? Bewegen sich Dysf und PS in Vesikeln parallel zur Membran, oder direkt durch die Membran? 2. Stellen Caveolae Reservoire für Dysf und PS dar? 3. Wird Dysf im Zebrafisch, ähnlich wie in Säugern, vor oder nach Schädigung der Membran, prozessiert? Ist dieser Prozess Teil der Regulierung oder des korrekten, räumlichen Depots von Dysf in Membran-Reservoiren?Wir werden an diese Fragen mit einer interdisziplinären Kombination aus molekularen und zellulären Studien herangehen, die eng verknüpft sein werden mit der Entwicklung und Adaption von biophysikalischen Methoden. Diese sollen zur Visualisierung und Quantifizierung der Mechanismen in Zellen, aber auch in intakten Tieren dienen, und zwar mit höchster Auflösung und in vivo. Diese Ergebnisse werden unser Verständnis der Membranreparatur erheblich verbessern. Biologische Membranen mit ihrer außergewöhnlichen Funktionalisierung durch Proteine haben auch ein biotechnologisches Potential. Zu verstehen, wie die filigrane Struktur von Membranen intakt gehalten wird, ist eine Voraussetzung für ihre technische Nutzung. Darüber hinaus wird dieses Projekt dazu beitragen, die Funktion einer Anzahl von Proteinen, die Muskeldystrophien auslösen können, besser zu verstehen. Dieses Wissen könnte damit indirekt zur Entwicklung von Therapieansätzen beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Uwe Strähle, bis 4/2021