Forschungsbereich B: Qualitätskontrolle und Signalübertragung

Das Leben einer Zelle beruht auf einer großen Anzahl komplexer chemischer Reaktionen, die in ihrer Gesamtheit die Energieversorgung der Zelle, ihre Integrität und Stabilität sowie ihre Kommunikation mit anderen Zellen und zellspezifische Funktionen sicherstellen.

Die notwendige hohe Präzision in den Abläufen einer Zelle erfolgt durch die Bildung großer Komplexe, die aus vielen verschiedenen Proteinen und/oder anderen biologischen Makromolekülen bestehen. Diese Komplexe sorgen zum einen dafür, dass die verschiedenen Reaktionszentren nah genug beieinander sind, damit das Produkt eines Enzyms möglichst schnell und effizient vom nächsten Enzym weiterverarbeitet werden kann. Zum anderen befinden sich in den Komplexen regulatorische Faktoren, die bestimmte Aktivitä-ten entweder unterdrücken oder erst ermöglichen.Die Untersuchung der regulatorischen Funktionen in Komplexen, die innerhalb der Zelle vorliegen, ist eines der zentralen Forschungsgebiete des CEF.

Eine große Schwierigkeit bei der Untersuchung dieser Komplexe liegt darin, dass viele wichtige regulatorische Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Komponenten über Komplexe ablaufen, die sich nicht in stabiler Form isolieren lassen, also transienter Natur sind. Andere Wechselwirkungen sind hingegen so stark, dass sich die Komponenten nicht einzeln untersuchen lassen.

Für die Untersuchung eines derart weiten Spektrums von Wechselwirkungen ist eine Vielzahl biochemischer, zellbiologischer und biophysikalischer Methoden notwendig, von denen viele in den verschiedenen Arbeitsgruppen des CEF etabliert sind.

Ein besonderer Forschungsfokus bei der Charakterisierung von Protein-Protein-Wechselwirkungen liegt auf der Untersuchung so genannter posttranslationaler Modifikationen. Durch sie werden verschiedene chemische Gruppen an bestimmte Seitenketten eines Proteins angehängt, zum Beispiel Phosphat-, Acetyl- und Methylgruppen, aber auch kleine Proteine wie Ubiquitin oder SUMO. In jedem Fall hat das modifizierte Protein durch das Anhängen einer dieser Gruppen veränderte physikochemische Eigenschaften, wodurch Wechselwirkungen mit anderen biologischen Makromolekülen entweder verhindert, verstärkt oder erst ermöglicht werden.

Eine der vielseitigsten Modifikationen ist das Anhängen des kleinen Proteins Ubiquitin an Lysinseitenketten. Ursprünglich wurde angenommen, dass dieses Übertragen von Ubiquitin ausschließlich als Signal für den Abbau eines derart modifizierten Proteins dient. Mittlerweile ist eine große Anzahl anderer Prozesse wie etwa DNA-Reparatur oder Aufnahme bestimmter Proteine in die Zelle, bekannt, die ebenfalls über Ubiquitin-Modifikationen gesteuert werden. Die am weitesten verbreitete posttranslationale Modifikation aber ist die Phosphorylierung, bei der eine Phosphatgruppe entweder auf die Seitenkette eines Serins, eines Threonins oder eines Tyrosins übertragen wird. Phosphorylierung verwandelt dadurch eine elektrisch neutrale Seitenkette in eine negativ geladene Seitenkette, wodurch die Struktur eines Proteins verändert oder die Bindungsstelle für ein weiteres Makromolekül modifiziert wird.

Die Forschung im CEF widmet sich der funktionalen und strukturbiologischen Aufklärung der Mechanismen solcher posttranslationaler Modifikationen. Dabei konzentrieren wir uns besonders auf die wichtigsten Komponenten der Qualitätskontrolle, der intrazellulären Signalübertragung und der Transkription. In diesem Bereich ist der interdisziplinäre Charakter der Forschung am CEF besonders stark ausgeprägt.