Jahresbericht

Die Befruchtung einer Eizelle durch ein Spermium ist der Beginn neuen Lebens. Dabei werden die Erbinformationen beider Elternteile neu kombiniert. Die neuen Erbinformationen liegen zunächst inaktiv im Zellkern der befruchteten Eizelle vor. Die erste Zellteilung wird noch durch die Genprodukte der mütterlichen DNA veranlasst, doch bereits ab der zweiten muss auf die Genprodukte aller neu kombinierten Erbinformationen zugegriffen werden können. Genau diesen Moment habe ich mit meinem Team untersucht und dabei einen „Funken des Lebens“ entdeckt, einen genetischen Faktor, der die DNA „aufweckt“.

Wie entstehen Krebserkrankungen? Wie verändert die zelluläre Zusammensetzung eines Tumors dessen bösartige Eigenschaften? Diese Fragen sind nur schwer zu beantworten und dennoch entscheidend, um Krebserkrankungen zu verstehen und ein Heilmittel finden zu können. Gemeinsam mit meinen beiden Forschungsgruppen gelang es mir, einen ganz neuen Diagnose-Ansatz zu entwickeln, um diesem Ziel einen Schritt näher zu kommen. Durch die Kombination von vier modernen Methoden haben wir eine leistungsfähige Technologie entwickelt, um die Mechanismen von Gesundheit und Krankheit besser zu verstehen.

Bei der Übersetzung von Boten-RNA (mRNA) in Proteine stellen sequenzspezifische Transfer-RNAs (tRNAs) die jeweiligen Aminosäuren zur Verfügung. Die Menge an tRNAs hat daher einen tiefgreifenden Einfluss auf die Zelle. Die Ermittlung der Menge an tRNAs war bislang wegen technischer Herausforderungen limitiert. Wir haben diese Grenzen nun mithilfe der mim-tRNAseq überwunden, einer Methode, die zur Quantifizierung von tRNAs in jedem Organismus verwendet werden kann. Diese Methode wird dazu beitragen, das Verständnis der tRNA-Regulation in gesunden und kranken Lebensformen zu verbessern.

Das Gebiet der synthetischen Biologie zielt darauf ab, aus unbelebten Bausteinen lebensähnliche Systeme zusammenzusetzen. Unser Ziel ist, nicht nur Prozesse des Lebens zu beobachten und zu beschreiben, sondern sie auch nachzuahmen. Ein Schlüsselmerkmal des Lebens ist dessen Replikationsfähigkeit, oder mit anderen Worten: Die Selbsterhaltung eines chemischen Systems. Wir haben es geschafft, ein neues in-vitro-System zu erzeugen, das im Reagenzglas einen Teil seiner eigenen DNA und Proteinbausteine regenerieren kann.

Zellen nehmen über punktgenaue Andockstellen Kontakt zu anderen Zellen auf. Bei Zellwanderungen und Immunreaktionen muss ein fein abgestimmter Anheftungs- und Ablösungsprozess gewährleistet sein. Deshalb bestehen die Kontaktstellen aus einer ganzen Maschinerie von Proteinen, in der Talin eine zentrale Rolle einnimmt. Wir konnten mithilfe der Cryo-Elektronenmikroskopie zeigen, wie Talin eine inaktive Kugelform annehmen kann und so für den Kontakt mit anderen Proteinen unzugänglich ist. Dies hilft, den Anhaftungsmechanismus und auch Fehlfunktionen bei Krankheitsprozessen zu verstehen.

Die Fähigkeit unserer Zellen, mechanische Signale wahrnehmen und verarbeiten zu können, ist für eine Vielzahl biologischer Prozesse von zentraler Bedeutung. Wie mechanische Signale in Zellen verarbeitet werden, blieb lange unklar, denn es fehlte an Techniken, um die extrem kleinen, molekularen Kräfte in Zellen zu detektieren. Wir haben daher eine Technologie entwickelt, mit der intrazelluläre Kräfte von nur wenigen billionstel Newton quantifiziert werden können. Erste Anwendungen liefern faszinierende Einblicke in die Wirkmechanismen der zellulären Mechanobiologie

Reaktive Sauerstoffradikale (reactive oxygen species, ROS) werden oft in Virus infizierten Zellen generiert, deren Wirkung ist jedoch nicht klar. Wir haben einen Zelltod-Signalweg entdeckt, Oxeiptose, der das Überleben der Zelle nach ROS Akkumulierung steuert. Eine Manipulation von Oxeiptose verhindert ROS - und Virus - induzierten Zelltod in vitro und verursacht Lungenentzündungen und Gewebeschäden nach Infektion mit Influenzavirus. Da ROS oft in pathologischen Situationen gebildet werden, nehmen wir an, dass Oxeiptose eine prominente Rolle bei der Abwehr diverser Erkrankungen einnimmt.

Gameten wie Eizellen, Spermien oder Sporen entstehen in einer speziellen Zellteilung, der Meiose. Dabei werden die Chromosomen im Laufe zweier Kernteilungen auf vier Kerne verteilt, die jeweils nur den halben Chromosomensatz enthalten. Im Gegensatz zur ersten Teilung ist wenig bekannt über die Kontrolle der zweiten Teilung. Die Forschungsgruppe Chromosomenbiologie konnte nun in Zellen der Bäckerhefe zeigen, wie die Abläufe der zweiten Teilung, nämlich die Trennung der Chromatiden, die Gametendifferenzierung und der Abschluss der Meiose von der konservierten Hrr25 Kinase koordiniert werden.

Die Verteilung der Chromosomen bei der Zellteilung ist ein äußerst komplexer Prozess. Die korrekte Durchführung setzt voraus, dass die langen DNA-Moleküle der Chromosomen in einer kompakten Form vorliegen. SMC-Proteine bilden molekulare Ringe, die das Chromosom im Innersten zusammenhalten, indem sie ausgewählte DNA-Abschnitte umklammern. Die Forscher haben die Architektur des bakteriellen SMC-Ringes aufgeklärt und dessen Dynamik auf dem Chromosom studiert. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass SMC-Ringe Chromosomen durch schrittweises Vergrößern von DNA-Schleifen organisieren.

Zellen müssen überflüssige Bestandteile ständig beseitigen, um nicht im eigenen Müll zu ersticken. Dabei nimmt die Autophagozytose, das zelluläre Recyclingsystem, eine zentrale Rolle ein. Mittels Autophagozytose können Zellen nicht mehr gebrauchtes Material in speziellen Containern, den Autophagosomen, verpacken und zu zellulären Recyclingstationen transportieren. Dort werden sie abgebaut und der Wiederverwertung zugeführt. Die Forscher haben kürzlich ein molekulares Gerüst identifiziert, das, ähnlich einem Müllkorb, die äußere Hülle des Recycling-Containers bildet.

Trotz der Erfolgsgeschichte der Biowissenschaften in den letzten Jahrzehnten wissen wir die Frage, wo die Trennlinie zwischen belebter und unbelebter Natur genau verläuft, noch immer nicht überzeugend zu beantworten. Eines der wichtigen Kennzeichen der uns bekannten belebten Systeme ist ihre enorme Komplexität. Ist diese aber eine notwendige Bedingung? Wir versuchen, mit unserer Forschung belebte Systeme auf nur wenige Grundprinzipien zu reduzieren. Unser Ziel ist eine durchweg biophysikalisch, quantitativ beschreibbare und aus definierten Ausgangskomponenten zusammengesetzte Minimalzelle.

Als Zilien werden dünne Fortsätze auf fast allen Zellen im Menschen bezeichnet. Sie erfüllen Aufgaben sowohl bei der Zellfortbewegung als auch bei der Aufnahme von Signalen aus der Umwelt. Um ein Zilium zu bilden, benötigt die Zelle einen speziellen Proteintransportmechanismus, genannt intraflagellar transport (IFT). Fehler in diesem Prozess verursachen eine Reihe humaner Krankheiten (Ziliopathien), darunter Unfruchtbarkeit, Blindheit oder die Bildung von Zysten. Viele Details der Ziliogenese sind noch unbekannt und nicht nur aufgrund ihrer medizinischen Relevanz wird intensiv daran geforscht.

Wenn Chromosomen während der Zellteilung fehlerhaft vererbt werden, bringt das die Zellen aus dem Gleichgewicht. Die neuen Zellen sind aneuploid, sie beinhalten eine andere Anzahl an Chromosomen als üblich. Aneuploidie ist für die meisten Zellen schädlich und charakteristisch für pathologische Erscheinungen wie etwa dem Down Syndrom oder Krebs. Forscher untersuchen derzeit, warum Aneuploidie eigentlich so schädlich ist. Vermutlich spielt dabei ein Ungleichgewicht von Proteinen eine entscheidende Rolle. Dennoch bleiben wichtige Fragen zur Aneuploidie weiterhin unbeantwortet.

Proteine übernehmen vielfältige essenzielle Aufgaben in allen Zellen. Doch um ihre biologische Funktion ausüben zu können, müssen sich die kettenartigen Moleküle erst zu komplexen, dreidimensionalen Strukturen falten. Dieser Prozess wird durch verschiedene molekulare Chaperone, die Anstandsdamen der Zelle, vermittelt. Sie verhindern die fehlerhafte Verklumpung von Proteinen, die zu Alzheimerdemenz oder Morbus Parkinson führen kann. Unsere Forschungsarbeiten leisten einen Beitrag zum besseren Verständnis der Rolle der Chaperone bei Proteinfaltung und neurodegenerativen Faltungskrankheiten.

Fliegende Insekten stehen vor der Herausforderung, ihren Körper in die Luft zu befördern. Um genügend Auftrieb zu erzeugen, müssen ihre Flügel bis zu 1000 Mal pro Sekunde schlagen. Diese schnellen Oszillationen werden von Flugmuskeln angetrieben, deren kontraktiler Apparat einen besonderen fibrillären Aufbau besitzt, der sich von den anderen Muskeln unterscheidet. Die Forscher haben in Taufliegen (Drosophila) ein Schaltergen, spalt, identifiziert, das die Ausbildung der fibrillären Flugmuskeln steuert. Spalt Mutanten sind fluglos: Deren Flugmuskeln haben ihre besondere Struktur verloren.

Ähnlich einem Aktenvernichter zum Zerkleinern von unerwünschten oder potenziell gefährlichen Dokumenten, verwenden Zellen molekulare Maschinen, um unerwünschte oder schadhafte Makromoleküle abzubauen. Der Exosomkomplex spielt dabei eine Schlüsselrolle. Wir konnten aufdecken, wie das Exosom RNAs erst in einem Kanal bindet und dann zerkleinert. Dieser Mechanismus ist in allen Lebensformen weitgehend konserviert und ähnelt in seiner Funktionsweise dem Abbau von Polypeptiden durch das Proteasom.

Unser Immunsystem schützt uns vor einer Invasion durch Mikroorganismen wie zum Beispiel Bakterien und Viren. Immunzellen erkennen fremde Mikroorganismen durch Rezeptoren auf ihrer Oberfläche und übermitteln Signale an ihren Zellkern. Diese Signaltransduktion bewirkt eine Änderung der Genexpression, um Eindringlinge effizient zu bekämpfen. Fehlgeleitete Immunantworten jedoch können Autoimmunerkrankungen und Leukämien oder Lymphome erzeugen. Anhand von genetischen Mausmodellen wollen die Forscher verstehen, wie die Signaltransduktion Immunantworten steuert und wie Fehler zu Erkrankungen führen.

Proteine können durch Modifikationen neue Aufgaben erfüllen. Werden Proteine mit dem kleinen Protein Ubiquitin modifiziert, so werden sie häufig dem zellulären Abbau zugeführt. Unsere Arbeiten zeigten jedoch, dass Ubiquitin und das verwandte Protein SUMO auch DNA-Reparatur und Genomstabilität vermitteln. Beim Menschen ist dieses System wichtig, um Tumorbildung zu vermeiden.

Kräne und Bagger und viele Arbeiter: Die straffe Organisation auf einer Baustelle erschließt sich nur dem geduldigen Beobachter. Einen ähnlich langen Atem brauchen Forscher, um zelluläre Prozesse zu entschlüsseln. Mithilfe moderner Mikroskopie, die in Kombination mit sensitiven Kameras und computergestützen Verfahren zum Einsatz kommt, können nun aber bislang unbekannte Strukturen und Prozesse sichtbar gemacht und mit fast mathematischer Präzision analysiert werden. So etabliert sich ein neues Bild von der Zelle – als hochdynamisches und zugleich streng koordiniertes biologisches System.

Die Gene eines Organismus sind lediglich die Blaupausen für die eigentlichen Funktionsträger der Zelle, die Eiweiße (Proteine). Leider konnte man Proteine bisher nicht in der gleichen Genauigkeit und in der gleichen Tiefe messen wie die DNA. Am Max-Planck-Institut für Biochemie ist es nun zum ersten Mal gelungen, die Gesamtheit der Proteine eines Organismus - sein Proteom - zu messen. Mögliche Anwendungen reichen von fast allen Gebieten der biologischen Grundlagenforschung bis hin zur Krebsdiagnose.

Der Fluss der genetischen Information erfolgt von der DNA über die mRNA zum Protein - eine wichtige Erkenntnis der Entschlüsselung des humanen Genoms war jedoch, dass nur ein Bruchteil des Genoms die Information für Proteine enthält. Der weitaus größere Teil ist nicht proteinkodierend. Arbeiten der letzten Jahre haben gezeigt, dass auch nichtkodierende DNA in RNA umgeschrieben wird und dass solche RNAs essenzielle Funktionen ausüben. Heute weiß man, dass eine Vielzahl von nichtkodierenden RNA-Klassen existiert, die auch an der Entstehung von Krankheiten wie Krebs beteiligt sein könnten.

Halbleiterchips und neuronale Systeme können direkt elektrisch gekoppelt werden. Die Forschung dazu schafft die Grundlagen für eine Anwendung solcher hybrider Prozessoren in Hirnforschung, Neuroprothetik und Informationstechnologie. Auf neuronaler Seite werden Ionenkanäle, Nervenzellen und Hirngewebe eingesetzt. Auf elektronischer Seite werden Siliziumchips mit Transistoren und Kondensatoren zur Klärung des Kopplungsmechanismus verwendet. Auf dieser Basis werden komplexe Chips mit über 30.000 Kontakten entwickelt, um neuronale Vorgänge mit höchster räumlicher Auflösung zu studieren.

Die Architektur von Viren vereint strukturelle Simplizität mit einem Maximum an Funktionalität. Dabei verbinden Viruspartikel Integrität und Stabilität mit der Fähigkeit zur effizienten Infektion beim Wirtskontakt. Details des zellulären Infektionsvorgangs waren bisher nur ansatzweise bekannt. Die Nachwuchsgruppe „Strukturelle Zellbiologie der Virusinfektion“ untersucht mittels Kryo-Elektronentomographie, wie Viren auf molekularer Ebene mit ihrer Wirtszelle kommunizieren, diese verändern und unter Nutzung verschiedenster Wirtsfaktoren und Mechanismen replizieren können.

Vorgestellt wird ein optisches Mikroskopieverfahren, das eine Auflösung im Nanometerbereich ermöglicht, unabhängig von der Wellenlänge. Es basiert auf einem Raster-Kraft-Mikroskop, dessen Abtastspitze zur Streuung von optischen Nahfeldern eingesetzt wird. Das Anwendungspotenzial reicht von der Charakterisierung von Festkörperoberflächen bis hin zur Identifizierung von einzelnen Nanopartikeln und Makromolekülen.

Leben in konzentrierten Salzlösungen unter extremen Ernährungsbedingungen erfordert extreme Anpassung. Durch die molekulare und funktionelle Analyse der zellulären Bestandteile halophiler Archaeen gelingt es, Einblick in die Biologie dieser faszinierenden Organismen auf dem Niveau des Gesamtsystems der Zelle zu nehmen.

Um Tumorbildung und Trisomien zu verhindern, ist eine exakte Halbierung des zuvor verdoppelten Chromosomensatzes während der Mitose und den beiden meiotischen Reifeteilungen unerlässlich. Die Chromosomen werden durch Separase getrennt, eine riesige Protease, die einen chromosomalen Proteinkomplex (Kohäsin) spaltet. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Biochemie haben kürzlich einen neuen Regulationsmechanismus sowie eine unerwartete, nicht-proteolytische Funktion dieses Schlüsselenzyms entdeckt.

Untersucht wird die Regulation der Substratspezifität im Ubiquitin-Proteasom-System. Der Forschungsschwerpunkt liegt dabei auf zwei modular aufgebauten Proteinkomplexen: der CBC^VHL Ubiquitin-Ligase mit dem von-Hippel-Lindau Tumorsuppressor-Protein als substratbindender Untereinheit und der Chaperon-ähnlichen AAA ATPase Cdc48 mit den Kofaktoren der UBX-Proteinfamilie. UBX-Proteine binden an Cdc48 und regulieren so die Spezifität der Cdc48-Aktivität in verschiedenen zellulären Prozessen. UBX-Proteine mit einer Ubiquitin-bindenden UBA-Domäne rekrutieren ubiquitylierte Substrate, die durch Cdc48 der proteasomalen Degradation zugeführt werden. Ein solches UBA/UBX-Protein, Ubx2 genannt, spielt eine zentrale Rolle in der Endoplasmatischen Retikulum (ER) assoziierten Proteindegradation (ERAD). Biochemische Untersuchungen von Tumor-assoziierten Mutanten des von-Hippel-Lindau Tumorsuppressor-Proteins erlauben neue Einblicke in die Genotyp/Phänotyp-Beziehungen der von-Hippel-Lindau´schen Erbkrankheit. So korreliert der Grad der funktionellen Defekte auf molekularer Ebene mit dem Risiko der Patienten, Nierenzellkarzinome zu entwickeln.

Das koordinierte Wachstum, die Differenzierung spezialisierter Gewebetypen und die Bildung von Organen während der Entwicklung höherer Eukaryoten erfordern präzise regulierte Kommunikationsmechanismen zwischen den verschiedenen Zelltypen eines Organismus. Gleichermaßen ist die Aufrechterhaltung aller Lebensvorgänge ausgewachsener Organismen von diesem zellulären Kommunikationssystem abhängig. Fehlfunktionen dieses Systems aufgrund äußerer Einflüsse oder genetischer Defekte sind die Ursache einer Vielzahl pathologischer Phänomene wie z.B. Krebs, Diabetes oder neurodegenerativer Syndrome. Die Forschungsaktivitäten der Abteilung Molekularbiologie konzentrieren sich auf diese zentralen biologischen und pathophysiologischen Prozesse, wobei der Schwerpunkt auf der Aufklärung gesunder Signalmechanismen liegt. Gleichzeitig wird die Degeneration dieser Signalwege in der Pathogenese, vor allem beim Krebs, untersucht.

Unsere Abteilung befasst sich mit der Entwicklung und Anwendung neuartiger mikroskopischer Methoden. Die automatisierte Kryo-Elektronentomographie bildet in amorphes Eis eingebettete makromolekulare Komplexe, Viren, Prokaryoten und eukaryotische Zellen im nativen Zustand ab und liefert 3D-Rekonstruktionen bei molekularer Auflösung. Diese Technik bietet die Perspektive, Interaktionen makromolekularer Komplexe in individuellen Zellen im quasi-lebenden Zustand zu untersuchen. Die Infrarot-Nahfeldmikroskopie erzeugt ein hochaufgelöstes Rasterbild sowohl der Topographie als auch der Infrarot-Absorption der Oberfläche von Messproben, etwa von organischen Materialien oder einzelnen Viren.

Ziel unserer Gruppe ist es, die Funktion der Transkriptionsfaktoren c-MYC und p53 sowie Gene und Prozesse, die durch diese Proteine reguliert werden, zu verstehen. c-MYC und p53 liegen in ca. 50% aller Krebserkrankungen verändert vor. Das Produkt des Tumorsuppressorgens p53 vermittelt nach DNA-Schädigung eine Arretierung des Zellzyklus, indem es unter anderem das 14-3-3sigma-Gen induziert. Zudem ist p53 Bestandteil des Programms der zellulären Seneszenz, wobei p53 in gealterten Zellen mit verkürzten Chromosomen-Enden aktiviert wird. Dagegen führt die Aktivierung des Onkogens c-MYC zur Immortalisierung, einem wichtigen Charakteristikum der Tumorzelle. Wie c-MYC diesen Effekt vermittelt, ist ein Schwerpunkt unserer Forschung. Außerdem versuchen wir, genetische und epigenetische Veränderungen zu identifizieren, die zur Entstehung des Prostatakarzinoms sowie des malignen Melanoms führen. Bei den Untersuchungen kommen neueste Methoden aus dem Bereich der Proteom- und Genom-Forschung zum Einsatz.

Ziel unserer Abteilung ist es, die Integrin vermittelte Zelladhäsion in verschiedenen Geweben in vivo zu verstehen. Hierzu erzeugen wir Mäuse mit gezielten Veränderungen in Genen von Integrinen und Integrin-assoziierten Proteinen. Die Auswirkungen der Genveränderung untersuchen wir einerseits während der Mausentwicklung, um so die normale, physiologische Funktion des mutierten Gens zu erforschen, und andererseits in verschiedenen Kranheitsmodellen, um so die Rolle der mutierten Gene bei Erkrankungen aufzuklären. Diese Untersuchungen werden mit immunhistochemischen, zellbiologischen und biochemischen Methoden durchgeführt und mit strukturellen Arbeiten unterstützt.

Wachstum und Teilung tierischer Zellen erfordert die ständige Zufuhr neuer Proteine und Lipide von ihrem Herstellungsort im Endoplasmatischen Retikulum an die Zelloberfläche. Dem Zellwachstum und der DNA-Verdopplung in der S-Phase folgt zunächst die geregelte Aufteilung des genetischen Materials in zwei identische Chromosomensätze in der M-Phase und dann die eigentliche Zellteilung (Zytokinese), welche die Zelle so entzweischneidet, dass jeder entstehende Teil einen Satz des genetischen Materials erhält (Abb. 1). Die Untersuchung dieser Prozesse und ihrer Regulation auf molekularer Ebene ist daher wichtig, um zu verstehen, wie sich normale Zellen teilen, und wie - falls die Zellteilungnicht stattfindet - die aneuploiden Zellen, die zur Bildung von Tumoren beitragen, entstehen. Meine Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Fragestellung, wie menschliche Zellen die komplexen dreidimensionalen Strukturen, die sie für Zellwachstum und -teilung benötigen, bilden und regulieren. Um diese Frage zu beantworten, haben wir uns auf zwei wichtige Bereiche konzentriert: (i) Proteintransport und die Funktion des Hauptorganells des sekretorischen Weges,des Golgi-Apparates; und (ii) die Funktion der zentralen Spindelregion für die Proteintransportereignisse, die letztendlich zur Zytokinese führen.