Entschlüsselung von Feedback-Wechselwirkungen zwischen Phosphoinositiden, Rho GTPasen und dem Aktin-Zytoskelett in der Kontrolle der Zellpolarität

• Antragsteller: Dr. Oliver Rocks
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503783151

Eine wichtige Erscheinungsform der Zellpolarität ist die Ausbildung einer Front bei der gerichteten Zellmigration. Front-Polarisierung wird durch komplexe Feedback-Wechselwirkungen der drei Signalmodule Phosphoinositid-3-Kinase, Rho GTPasen und Aktin gesteuert. Obwohl Feedback-Prozesse in der Theorie gut beschrieben sind, wissen wir nur wenig über die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen. RhoGEF und RhoGAP Regulatorproteine könnten Schlüsselelemente in diesem Wechselspiel sein, da sie den zellulären Kontext für die Rho GTPase Signalwirkung vermitteln und von Phosphoinositid Lipiden (PIPs) rekrutiert werden können. Zwei Drittel der 145 humanen RhoGEFs/RhoGAPs kodieren potentielle PIP Bindedomänen, spezifische Interaktionen mit und Regulation durch PIPs sind jedoch weitgehend unklar. Wir haben in Vorarbeiten Werkzeuge für systemweite Studien an RhoGEFs/RhoGAPs entwickelt und dabei festgestellt, dass die Interaktion dieser Proteine mit Aktin-Strukturen Rückkopplungsphänomene erzeugen kann, die zur Entstehung von Rho GTPase Signalmustern beitragen. Um ihre Rolle in der Feedback-Regulation der Zellpolarität besser zu verstehen, haben wir nun nach PIP-regulierten GEFs/GAPs gescreent. Es zeigte sich, dass fast alle PIP3-rekrutierten Regulatoren (9 von 11) Aktin binden. Wir vermuten daher für diese Hits einen neuartigen „triple ‚AND‘-gate/Feedback“-Mechanismus, der Input von allen drei Polaritätssignalmodulen (PIP/Rho/Aktin) koppelt und hierdurch selbst-organisierte Zellfront-Polarisierung ermöglich. Unsere Vorarbeiten an einem Cdc42/Rac GEF unterstützen diese Hypothese.Das Hauptziel dieses Vorhabens besteht darin, diesen räumlich-organisierenden Feedback-Regelkreis genauer zu charakterisieren und seine Rolle in der explorativen Zellpolarisierung zu erforschen. Des Weiteren wollen wir die Erkenntnisse dazu nutzen, synthetische „Polarisatorproteine“ zu bauen, basierend auf einem Aktinbindungsmotiv, einer GEF- und einer PH-Domäne, um den Feedback-Mechanismus umzuprogrammieren und systematisch Parameter zu untersuchen, die die Form einer polarisierten Zelle bestimmen. Zuvor noch werden wir unsere Assay-Methoden erweitern und damit die initiierten Screens nach PIP-sensitiven GEFs/GAPs optimieren, um die Relevanz von PIP2, PIP3 und PI(3,4)P2 in der Regulation der Rho Signalwege systematisch zu erfassen. Das Verständnis von Organisationsprinzipien der Signaltransduktion, die komplexes morphogenes Zellverhalten wie Polarisation oder gerichtete Migration aus lokalen Protein-Interaktionen entstehen lassen, ist von großem grundlegendem und klinischem Interesse und kann Strategien für therapeutische Eingriffe aufdecken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen