Ergebnisbericht 2010/11 - Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung

02 Strukturbiologie des Zytoskeletts
PROJEKTLEITERIN | Prof. Dr. Inari Kursula | Zentrum für Strukturelle Systembiologie (CSSB) | iku09@helmholtz-hzi.de
PROJEKTMITARBEITER | Dr. Alexander Ignatev | Dr. Petri Kursula | Dr. Thorsten Mengesdorf |
Saligram Prabhakar Bhargav | Moon Chatterjee | Gopinath Muruganandam | Nele Vervaet
Wir sind daran interessiert, wie Proteine des Zytoskeletts
einander erkennen und binden und wie die Polymerisation
von Aktin in eukaryotischen Zellen geregelt ist. Insbesondere
wollen wir verstehen, wie pathogene Parasiten ihr
Aktinzytoskelett für Motilität und Invasion der Wirtszelle benutzen,
und Wege fi nden, um diese Prozesse zu stören. Ein
weiterer Schwerpunkt unserer Arbeit sind Histondeacetylasen,
insbesondere solche mit zytosolischen Substraten. Wir
verwenden Röntgenkristallographie und Kleinwinkelröntgenstreuung
für Proteinstrukturbestimmung und ergänzende
biophysikalische und biochemische Methoden zur funktionellen
Charakterisierung von Proteinen und Komplexen.
Wir arbeiten zudem an der Entwicklung neuer Synchrotronbasierter
Methoden zur Visualisierung von großen Komplexen
des Zytoskeletts bei hoher Aufl ösung.
Aktin-basierte Motilität des Malariaparasiten Malaria ist
eine der verheerendsten weltweiten Gesundheitsgefahren.
Jedes Jahr sterben mehr als eine Million Menschen an
Mala ria. Bis zu 300 Millionen Menschen sind infi ziert, die
meisten von ihnen Kleinkinder und schwangere Frauen.
Malaria ist auch eine bedeutende wirtschaftliche Belastung,
durch die arme Gebiete in einer Abwärtsspirale von Armut
gefangen sind. Resistenz gegen bestehende Anti-Malariamedikamente
ist ein wachsendes Problem in fast allen
mala ria endemischen Gebieten. Daher besteht ein dringender
Bedarf an neuen Wirk- und Impfstoffen.
Malaria wird durch Plasmodium spp. verursacht, eine Gruppe
von einzelligen, eukaryotischen, intrazellulären Parasiten.
Sie gehören zum Stamm der Apicomplexa. Diese Parasiten
nutzen Aktin für ihre Motilität und Invasion der Wirtszelle.
Ihr Zytoskelett unterscheidet sich deutlich von dem der
höheren Eukaryonten und ist deshalb ein attraktives Ziel für
die Anti-Malariaforschung. Die Aktinfi lamente der Parasiten
sind extrem kurz, und ihr rascher Umsatz wird durch eine
begrenzte Anzahl von Aktin-bindenden Proteinen geregelt,
die gering mit ihren Säugetierhomologen konserviert sind.
Plasmodium Aktin-bindende Proteine mit unterschiedlichen
Strukturen und Funktionen Profi line sind allgegenwärtige,
kleine, Aktin-bindende Proteine. Sie vermitteln
gemeinsam mit Forminen die Aktinpolymerisation durch
Konzentration von polymerisierbaren Aktinmonomeren in
der Nähe des wachsenden Filamentendes. Wir haben die
Kristallstruktur von P. falciparum Profi lin (PfPfn) bestimmt
und gezeigt, dass es die Schlüsselfunktionen von Profi linen
besitzt und für den Parasiten essenziell ist. Strukturell unterscheidet
sich PfPfn deutlich von allen anderen Profi linen.
Die großen strukturellen Veränderungen in der Nähe der
Aktinbindungsstelle deuten auf einen möglicherweise neuen
WISSENSCHAFTLICHER ERGEBNISBERICHT | PoFII – unabhängige Forschung 123
Bindungsmodus an Aktin hin. Unsere Arbeit konzentriert
sich darauf, die Regionen für die Interaktion zwischen Plasmodium
Profi lin und Aktin zu fi nden und die dreidimensionale
Struktur des Komplexes zu bestimmen. Sobald uns die
Kristallstruktur zur Verfügung steht, ist es möglich, Verbindungen
zu suchen, die spezifi sch den Plasmodium Profi lin-
Aktin-Komplex stören. Wir arbeiten auch an den beiden
Plasmodium Forminisoformen, um herauszufi nden, welche
Rolle sie bei der Regulation der Aktinpolymerisation spielen
und ob sie zusammen mit Profi lin in diesen Parasiten wirken.
Plasmodium hat zwei Aktindepolymerisationfaktoren (ADFs),
die sich voneinander in Struktur und Funktion unterscheiden.
Die Hauptisoform in Apicomplexa, ADF1, ist essenziell,
bindet kein F-Aktin und scheint eher als Nukleotidaustauschfaktor
anstatt als fi lamentdestabilisierendes Protein
zu wirken. ADF2 ist nur in Plasmodium spp. anwesend und
nicht essenziell, aber es ist den kanonischen Mitgliedern der
ADF-Familie strukturell ähnlich.
a) Wir haben die Kristallstruktur von Plasmodium falciparum
Profi lin im Komplex mit einem Octaprolinpeptid bestimmt. Die
Struktur enthält eine große β-Haarnadelinsertion, die in keinen
anderen Profi linen vorhanden ist, wie in der Überlagerung von
Plasmodium und Maus Profi linen (kleines Bild unten, grün
Plasmodium und grau Maus Profi lin) zu sehen ist.
b) Homologiemodellierung schlägt vor, dass die
β-Haarnadelinsertion an Wechselwirkungen mit Aktin beteiligt
sein könnte.
c) Eine Nahaufnahme der mutmaßlichen Wechselwirkungen der
β-Haarnadelinsertion in Plasmodium Profi lin (grün) mit Aktin
(grau). Das überlagerte Maus Profi lin ist in rosa dargestellt.
Grafi ken: Inari and Petri Kursula
Kursula, P., Kursula, I., Massimi, M., Song, Y.H., Downer, J., Stanley, W.A., Witke, W. &
Wilmanns, M. (2008) High-resolution structural analysis of mammalian profi lin 2a
complex formation with two physiological ligands: formin homology 1 domain of mDia1
and the proline rich domain of VASP. Journal of Molecular Biology 375, 270-290.
Kursula, I., Kursula, P., Ganter, M., Panjikar, S., Matuschewski, K. & Schüler, H. (2008)
Structural basis for parasite-specifi c functions of the divergent profi lin of Plasmodium
falciparum. Structure 16, 1638-1648.
Huttu, J., Singh, B., Bhargav, S.P., Sattler, J., Schüler, H. & Kursula, I. (2010) Crystallization
and preliminary structural characterization of the two actin depolymerization
factors of the malaria parasite. Acta Crystallographica Section F 66, 583-587.