SFB 803:  Funktionalität kontrolliert durch Organisation in und zwischen Membranen

• Fachliche Zuordnung: Chemie ; Biologie
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 55908123

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Sonderforschungsbereichs (SFB 803) war es, die Wechselwirkungen zwischen der großen Zahl verschiedener Lipide und spezialisierter Proteine in zellulären Membranen auf molekularer Ebene zu entschlüsseln. Wir untersuchten, wie die räumliche und zeitliche Organisation von Membranbestandteilen deren Funktion beeinflusst. Wir konnten aufklären, wie sich einfache Peptide und große Transmembranproteine, insbesondere Poren und Ionenkanäle, in Membranen organisieren und wie sie mit den sie umgebenden Lipiden interagieren. Auf diesem Weg wurden neue Methoden entwickelt und etablierte vorangetrieben. Um einige Beispiele zu nennen: Im Fall von einfachen Transmembranpeptiden ebnete die Synergie zwischen bioorganischer Synthese und EPR-Spektroskopie den Weg zu neuen Experimenten zur Messung von Spin-Label- Orientierungen bei hohen EPR-Frequenzen. Die Beziehung zwischen der Struktur eines Ionenkanals und seiner Funktion wurde für den spannungsabhängigen Anionenkanal VDAC durch eine Kombination von NMR-spektroskopischen Strukturuntersuchungen, Ionenkanalmessungen, mathematischer Analyse und atomistischen Simulationen besser verstanden. Diese Ergebnisse ermöglichten es uns, molekulare Bilder davon zu zeichnen, wie Peptide und Proteine Strukturen bilden, die für Transportprozesse über Membranen verantwortlich sind. Der SFB 803 trug wesentlich zu unserem aktuellen Verständnis der neuronalen Fusion bei, die durch lösliche N-Ethylmaleimid-sensitive-factor attachment receptors (SNAREs) vermittelt wird. Wir konnten verstehen, wie physikalische mesoskopische Parameter wie Membrankrümmung und laterale Spannung sowie molekulare Determinanten wie bestimmte Lipide und die molekulare Struktur der verschiedenen SNAREs die Energielandschaft entlang des Fusionsweges bestimmen und beeinflussen. Eine Kombination aus neuen experimentellen Werkzeugen zur Analyse von Fusionsintermediaten und neuen Fusionsassays in Verbindung mit bioorganischen synthetischen Ansätzen sowie Simulationsstudien haben zu einem molekularen Bild und den involvierten Energetiken geführt, die zur Verschmelzung zweier Membranen und damit zur Freisetzung von Neurotransmittern führen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2010) Molecular recognition at the membrane−water interface: Controlling integral peptide helices by off-membrane nucleobase pairing. J. Am. Chem. Soc. 132, 8020–8028
  Schneggenburger, P. E., Müllar, S., Worbs, B., Steinem, C., Diederichsen, U.
  
• (2011) Membrane protein sequestering by ionic protein–lipid interactions. Nature 479, 552–555
  van den Bogaart, G., Meyenberg, K., Risselada, H. J., Amin, H., Willig, K. I., Hubrich, B. E., Dier, M., Hell, S. W., Grubmüller, H., Diederichsen, U., Jahn, R.
  
• (2011) TOPP: A novel nitroxide-labeled amino acid for EPR distance measurements. Angew. Chem. Int. Ed. 50, 9743–9746
  Stoller, S., Sicoli, G., Baranova, T. Y., Bennati, M., Diederichsen, U.
  
• (2011) Transmembrane domain peptide/peptide nucleic acid hybrid as a model of a SNARE protein in vesicle fusion. Angew. Chem. Int. Ed. 50, 8597–8601
  Lygina, A. S., Meyenberg, K., Jahn, R., Diederichsen, U.
  
• (2012) Membrane fusion intermediates via directional and full assembly of the SNARE complex. Science 336, 1581-1584
  Hernandez, J. M., Stein, A., Behrmann, E., Riedel, D., Cypionka, A., Farsi, Z., Walla, P. J., Raunser, S., Jahn, R.
  
• (2012) Molecular driving forces defining lipid positions around aquaporin-0. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 9887–9892
  Aponte-Santamaria, C., Briones, R., Schenk, A. D., Walz, T., Groot, B. L. d.
  
• (2012) Structure, hydration barrier and curvature of membrane hemifusion stalks with varying lipid composition obtained by x-ray diffraction. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 1609-1648
  Aeffner, S., Weinhausen, B., Reusch, T., Salditt, T.
  
• (2012) β-Barrel mobility underlies closure of the voltage-dependent anion channel. Structure 20, 1540-1549
  Zachariae, U., Schneider, R., Briones, R., Gattin, Z., Demers, J. P., Giller, K., Maier, E., Zweckstetter, M., Griesinger, C., Becker, S., Benz, R., de Groot, B. L., Lange, A.
  
• (2013) Idealizing ion channel recordings by a jump segmentation multiresolution filter. IEEE Transact. NanoBiosci. 12, 376–386
  Hotz, T., Schütte, O. M., Sieling, H., Polupanow, T., Diederichsen, U., Steinem, C., Munk, A.
  
• (2013) Quantifying the diffusion of membrane proteins and peptides in black lipid membranes with 2- focus fluorescence correlation spectroscopy. Biophys. J. 105, 455–462
  Weiß, K., Neef, A., Van, Q., Kramer, S., Gregor, I., Enderlein, J.
  
• (2014) Control of membrane gaps by synaptotagmin-Ca2+ measured with a novel membrane distance ruler. Nat. Commun. 5, 6859
  Lin, C. C., Seikowski, J., Perez-Lara, A., Jahn, R., Höbartner, C., Walla, P. J.
  
• (2014) Expansion of the fusion stalk and its implication for biological membrane fusion. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 111, 11043–11048
  Risselada, H. J., Bubnis, G., Grubmüller, H.
  
• (2014) Fluorescence nanoscopy by polarization modulation and polarization angle narrowing. Nat. Methods 11, 579-584
  Hafi, N., Grunwald, M., van den Heuvel, L. S., Aspelmeier, T., Chen, J. H., Zagrebelsky, M., Schütte, O. M., Steinem, C., Korte, M., Munk, A., Walla, P. J.
  
• (2014) Influence of Gb3 glycosphingolipids differing in their fatty acid chain on the phase behaviour of solid supported membranes: chemical syntheses and impact of Shiga toxin binding. Chem. Sci. 5, 3104
  Schütte, O. M., Ries, A., Orth, A., Patalag, L. J., Römer, W., Steinem, C., Werz, D. B.
  
• (2014) Structure of the mitochondrial translocator protein in complex with a diagnostic ligand. Science 343, 1363–1366
  Jaremko, L., Jaremko, M., Giller, K., Becker, S., Zweckstetter, M.
  
• (2015) Synaptotagmin-1 binds to PIP2-containing membrane but not to SNAREs at physiological ionic strength. Nat. Struct. Mol. Biol. 22, 815-823
  Park, Y., Seo, J. B., Fraind, A., Perez-Lara, A., Yavuz, H., Han, K., Jung, S. R., Kattan, I., Walla, P. J., Choi, M., Cafiso, D. S., Koh, D. S., Jahn, R.
  
• (2016) Epsin N-terminal homology domain (ENTH) activity as a function of membrane tension. J. Biol. Chem. 291, 19953-19961
  Gleisner, M., Kroppen, B., Fricke, C., Teske, N., Kliesch, T. T., Janshoff, A., Meinecke, M., Steinem, C.
  
• (2016) Pulse EPR measurements of intramolecular distances in a TOPP-labeled transmembrane peptide in lipids. Biophys. J. 111, 2345–2348
  Halbmair, K., Wegner, J., Diederichsen, U., Bennati, M.
  
• (2016) Simulations of pore formation in lipid membranes: Reaction coordinates, convergence, hysteresis, and finite-size effects. J. Chem. Theory Comput. 12, 3261–3269
  Awasthi, N., Hub, J. S.
  
• (2016) SNARE-mediated membrane fusion trajectories derived from force-clamp experiments. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113, 13051–13056
  Oelkers, M., Witt, H., Halder, P., Jahn, R., Janshoff, A.
  
• (2016) Super-resolution optical fluctuation bio-imaging with dual-color carbon nanodots. Nano Lett. 16, 237-242
  Chizhik, A. M., Stein, S., Dekaliuk, M. O., Battle, C., Li, W. X., Huss, A., Platen, M., Schaap, I. A. T., Gregor, I., Demchenko, A. P., Schmidt, C. F., Enderlein, J., Chizhik, A. I.
  
• (2016) Voltage dependence of conformational dynamics and subconducting states of VDAC-1. Biophys. J. 111, 1223–1234
  Briones, R., Weichbrodt, C., Paltrinieri, L., Mey, I., Villinger, S., Giller, K., Lange, A., Zweckstetter, M., Griesinger, C., Becker, S., de Groot, B. L., Steinem, C.
  
• (2016) β-Glutamine-mediated selfassociation of transmembrane β-peptides within lipid bilayers. Chem. Sci. 7, 5900–5907
  Rost, U., Steinem, C., Diederichsen, U.
  
• (2017) Cholesterol-mediated allosteric regulation of the mitochondrial translocator protein structure. Nat. Commun. 8, 14893
  Jaipuria, G., Leonov, A., Giller, K., Vasa, S. K., Jaremko, Ł., Jaremko, M., Linser, R., Becker, S., Zweckstetter, M.
  
• (2017) SNARE-mediated single-vesicle fusion events with supported and freestanding lipid membranes. Biophys. J. 113, 2573–2574
  Kuhlmann, J. W., Junius, M., Diederichsen, U., Steinem, C.
  
• (2018) Insights into cholesterol/membrane protein interactions using paramagnetic solid-state NMR. Chem. Eur. J. 24, 17606–17611
  Jaipuria, G., Giller, K., Leonov, A., Becker, S., Zweckstetter, M.
  
• (2018) Mechanism of mechanosensitive gating of the TREK-2 potassium channel. Biophys. J. 114, 1336–1343
  Brennecke, J. T., Groot, B. L. d.
  
• (2018) Metastable prepores in tensionfree lipid bilayers. Phys. Rev. Lett. 120, 128103
  Ting, C. L., Awasthi, N., Müller, M., Hub, J. S.
  
• (2018) PNA hybrid sequences as recognition units in SNARE‐ protein‐mimicking peptides. Angew. Chem. Int. Ed. 57, 14932-14936
  Hubrich, B. E., Kumar, P., Neitz, H., Grunwald, M., Grothe, T., Walla, P. J., Jahn, R., Diederichsen, U.
  
• (2018) Vesicle adhesion and fusion studied by small-angle X-ray scattering. Biophys. J. 114, 1908–1920
  Komorowski, K., Salditt, A., Xu, Y., Yavuz, H., Brennich, M., Jahn, R., Salditt, T.
  
• (2019) Graphene-based metal-induced energy transfer for sub-nanometre optical localization. Nat. Photonics 13, 860–865
  Ghosh, A., Sharma, A., Chizhik, A. I., Isbaner, S., Ruhlandt, D., Tsukanov, R., Gregor, I., Karedla, N., Enderlein, J.
  
• (2019) Semi-rigid nitroxide spin label for long-range EPR distance measurements of lipid bilayer embedded β-peptides. Chem. Eur. J. 25, 2203–2207
  Wegner, J., Valora, G., Halbmair, K., Kehl, A., Worbs, B., Bennati, M., Diederichsen, U.
  
• (2019) Synthesis of Gb3 glycosphingolipids with labeled head groups: Distribution in phase‐separated giant unilamellar vesicles. Angew. Chem. Int. Ed. 58, 17805–17813
  Sibold, J., Kettelhoit, K., Vuong, L., Liu, F., Werz, D. B., Steinem, C.
  
• (2019) Thermodynamically reversible paths of the first fusion intermediate reveal an important role for membrane anchors of fusion proteins. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 116, 2571–2576
  Smirnova, Y. G., Risselada, H. J., Müller, M.
  
• (2020) A β-barrel for oil transport through lipid membranes: Dynamic NMR structures of AlkL. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 117, 21014-21021
  Schubeis, T., Le Marchand, T., Daday, C., Kopec, W., Movellan, K. T., Stanek, J., Schwarzer, T. S., Castiglione, K., de Groot, B. L., Pintacuda, G., Andreas, L. B.
  
• (2020) Fusion pore formation observed during SNARE-mediated vesicle fusion with pore-spanning membranes. Biophys. J. 119, 151-161
  Mühlenbrock, P., Herwig, K., Vuong, L., Mey, I., Steinem, C.
  
• (2020) Sequential water and headgroup merger: Membrane poration paths and energetics from MD simulations. Biophys. J. 119, 2418-2430
  Bubnis, G., Grubmüller, H.
  
• (2021) Cooperativity of membrane-protein and protein-protein interactions control membrane remodeling by epsin 1 and affects clathrin-mediated endocytosis. Cell. Mol. Life Sci. 78, 2355-2370
  Kroppen, B., Teske, N., Yambire, K. F., Denkert, N., Mukherjee, I., Tarasenko, D., Jaipuria, G., Zweckstetter, M., Milosevic, I., Steinem, C., Meinecke, M.
  
• (2021) Insights into the molecular mechanism of amyloid filament formation: segmental folding of αsynuclein on lipid membranes: Molecular mechanism of αS filament folding on membrane. Sci. Adv. 7, eabg2174
  Antonschmidt, L., Dervisoglu, R., Sant, V., Tekwani Movellan, K., Mey, I., Riedel, D., Steinem, C., Becker, S., Andreas, L. B., Griesinger, C.
  
• (2021) The effect of polydispersity, shape fluctuations and curvature on small unilamellar vesicle smallangle X-ray scattering curves. J. Appl. Crystal. 54, 557–568
  Chappa, V., Smirnova, Y., Komorowski, K., Müller, M., Salditt, T.