Ionenkanal vs. Ionentransporter: Mechanismen der K(+)-Translokation in der Superfamilie der K(+)-Transporter

• Antragstellerin: Professorin Dr. Inga Hänelt
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Biophysik ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 266161834

Der ständige Austausch von Substraten über die Membranen wird durch zwei Klassen von Proteinen kontrolliert: Kanäle und Transporter. Geöffnete Kanäle erlauben den schnellen, aber selektiven Fluss von Substraten entlang eines elektrochemischen Gradienten, während Transporter Substrate langsam, aber aktiv unter Energieverbrauch entgegen eines Gradienten pumpen. Aufgrund dieser streng differenzierten Funktionen und den stark abweichenden Geschwindigkeiten der Substrattranslokation wurden Kanäle und Transporter traditionell als völlig unterschiedliche Systeme angesehen. Neue strukturelle und mechanistische Daten beider Klassen aber stellen diese klare Trennung in Frage. Im Rahmen dieses Antrags sollen die Unterschiede und Gemeinsamkeiten von Kanäle und Transporter durch die Untersuchung der einzigartigen chimären K(+)-Transportsysteme KtrAB und KdpFABC aufgeklärt werden. In beiden Systemen wird den K(+)- translozierenden Untereinheiten KtrB bzw. KdpA, die beide Mitglieder der Superfamilie der K(+)-Transporter sind, eine Kanal-ähnliche Aktivität zugeschrieben. Im Komplex mit zusätzlichen regulatorischen Untereinheiten aber werden vermutlich beide Systeme in aktive Transporter umgewandelt: Der KdpFABC-Komplex fungiert so als P-Typ- ATPase, während KtrAB wahrscheinlich einen Na(+)/K(+)-Symporter darstellt. Durch einen multidisziplinären Ansatz, der Transportstudien, Elektrophysiologie, EPR -Spektroskopie und Röntgenstrukturanalysen beinhaltet, werden wir die Struktur-Funktionsbeziehungen der isolierten Untereinheiten KtrB bzw. KdpA sowie deren assoziierten Komplexe untersuchen. Im Speziellen werden wir beantworten, ob KtrAB tatsächlich als Symporter fungiert, wie die Substrattranslokation über das Ktr-System erreicht wird und welche strukturellen Veränderungen in Anwesenheit der regulatorischen Untereinheit KtrA zur veränderten Funktion führen. Für das KdpFABC-System werden wir uns auf die Aufklärung der Mechanismen fokussieren, die die ATP-Hydrolyse in der KdpB-Untereinheit mit dem aktiven Transport über KdpA koppeln und somit einen einstigen Kanal in einen primär-aktiven Transporter umwandeln. Zusammenfassend werden unsere Ergebnisse die grundlegende Frage erläutern, was tatsächlich einen Transporter oder aber einen Kanal ausmacht.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Klaus Fendler; Dr. Jörg-Christian Greie; Professor Dr. Heinz-Jürgen Steinhoff; Professorin Dr. Christiane Ziegler