Arbeitsgruppen der Molekular- und Zellphysiologie
Entschlüsselung der Funktion/Dysfunktion von Motorproteinen mittels Einzelmolekül-Biophysik.
Dr. rer. nat. Mamta-Amrute-Nayak
Institut für Molekular- und Zellphysiologie
Carl-Neuberg-Straße 1
30625 Hannover
Büro I03-Block 1 - Ebene 03 -1330
Telefon (+49) 511 532 2094
Fax (+49) 511 532 2754
E-Mail Mamta Amrute-Nayak
Forschungsschwerpunkte
Zytoskelettmotoren sind ATP-abhängige krafterzeugende biologische Maschinen, die verschiedene Aufgaben ausführen, wie z.B. intrazellulären Frachttransport, Muskelkontraktion, Zellteilung und Bewegung ganzer Zellen.
Das nicht-prozessive Myosin-II-Motorprotein ist verantwortlich für die Kontraktion von Skelettmuskelfasern und Herzmuskelzellen, während prozessive aktinbasierte Motorproteine, wie das Myosin V, am intrazellulären Transport beteiligt sind. Das Hauptziel unserer Forschung ist es, ein detailliertes Verständnis der Mechanismen zu gewinnen, mit denen verschiedene Motoren unterschiedliche Rollen erfüllen.
Funktionsstörungen von Motorproteinen haben entscheidende Einflüsse in nahezu allen Aspekten der zellulären Physiologie und sind eng mit verschiedenen Myopathien verbunden, unter anderem mit der Herzerkrankung der familiären Kardiomyopathie (FHC), von der 1 von 200 Personen weltweit betroffen ist. Klinische Phänotypen weisen eine hohe Variabilität auf, die von asymptomatisch über schnell fortschreitendes Herzversagen bis hin zu plötzlichem Herztod bei jungen Menschen und Leistungssportlern reicht.
Wir wollen ein umfassendes Verständnis der primären funktionellen Veränderung des kardialen β-Myosins als Folge von Punktmutationen erlangen. Die Dysfunktion von Motorproteinen führt zu einer Desorganisation des Myokards, die zur Hypertrophie des linken Ventrikels beiträgt.
Unsere experimentellen Ansätze umfassen biophysikalische Einzelmoleküluntersuchungen, wie Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy (TIRFM), Zero-Mode-Lichtwellenleiter und optische Fallen, um präzise kinetische und mechanische Einblicke in Motorproteine zu erhalten.
Förderung:
- German Research Foundation (DFG)
- Hochschulinterne Förderung (HilF, MHH)
- Fritz Thyssen Foundation
Kontraktions-Relaxationsfunktion und mechano-chemische Kopplung von Myofibrillen
Untersuchungen von humanen, aus humanen pluripotenten Stammzellen abgeleiteten Kardiomyozyten und tierischen Kontraktionsmodellen unter nicht-pathologischen und pathologischen Bedingungen
Apl. Prof. Dr. Bogdan Iorga
Institut für Molekular- und Zellphysiologie
Carl-Neuberg-Straße 1
30625 Hannover
Büro: Gebäude J03, Block 01, Ebene 03, Raum 1270
Tel: +49 511 532 -2753 (Büro), -3654 (Labor)
Fax: +49 511 532 -4296
Email: Bogdan Iorga
Forschungsschwerpunkt
Funktion von Kontraktion/Relaxation und mechanisch-chemische Kopplung von Myofibrillen
Die Hauptfunktion von Kardiomyozyten (CMs), Kraft zu erzeugen und ihre Länge zu verkürzen, erfolgt, wenn sich die subzellulären Myofibrillen aufgrund multipler Interaktionen zwischen ATPase-getriebenen Myosinmotoren und Aktinfilamenten zusammenziehen. Myofibrillen bestehen aus vielen in Serie angeordneten Sarkomeren, die direkt die Kontraktions-Relaxations-Ereignisse der Herzmuskelzellen bei zyklischer Variation der intrazellulären Ca2+-Konzentration steuern. Daher stellen isolierte Myofibrillen ein kontraktiles Modell dar, das verwendet wird, um sarkomerische Protein-bezogene Prozesse zu verstehen, die die kontraktile Funktion von Hermuskelzellen in Abwesenheit von Ca2+-Handhabungssystemen und von Upstream-Signalen bestimmen.
Myofibrillen können mit schnellen kinetischen mikromechanischen und chemischen Techniken untersucht werden, da sie dünn sind und sich in einem schnellen Diffusionsgleichgewicht mit ihrer Umgebung befinden. Wir haben einen mikromechanischen Aufbau etabliert, der einen Atomkraft-Cantilever als nN-empfindlichen Kraftsensor verwendet. Dieser Aufbau erlaubt einen schnellen Wechsel der Lösungen, denen die Myofibrillen ausgesetzt sind, und die kraftkinetischen Parameter der myofibrillären Aktivierung und Relaxation bei verschiedenen Ca2+-Konzentrationen können mit hoher Zeitauflösung analysiert werden. Verschiedene etablierte biochemische Methoden können die stationäre oder transiente ATPase-Aktivität des sarkomerischen Myosinmotors unter Verwendung von mechanisch unbelasteten, nativen Myofibrillen oder unter Verwendung von Myofibrillen, deren Verkürzung durch chemische Quervernetzung weniger Myosinköpfe zu den Aktinfilamenten verhindert wurde, bestimmen. Diese Untersuchungen können eine Korrelation der biochemischen Ereignisse mit den mechanischen Ereignissen während des Querbrücken-Zyklus anhand der Isoform-Zusammensetzung der sarkomerischen Proteine ermöglichen.
Subzelluläre Myofibrillen können aus menschlichen (z.B. Biopsien), vom Menschen stammenden und nicht-menschlichen Herz- und Skelettmuskelzellen (z.B. Maus, Ratte, Kaninchen, Zebrafisch und hESC-/hiPSC-CMs) gewonnen werden.
In vitro-differenzierte Kardiomyozyten
Humane pluripotente Stammzellen-abgeleitete Herzmuskelzellen (hPSC-CMs) haben ein großes Potenzial für die Behandlung von kardiovaskulären Erkrankungen durch Zelltransplantation oder künstliches Herzgewebe, für die Bewertung der Effizienz und Toxizität von pharmakologischen Substanzen oder für die Verwendung als zelluläre Krankheitsmodelle in vitro. hPSC-CMs weisen im Vergleich zu ventrikulären Herzmuskelzellen des erwachsenen menschlichen Herzens eine Reihe von unreifen Merkmalen auf. Daher stellt die Charakterisierung von hPSC-CMs auf verschiedenen hierarchisch miteinander verbundenen Ebenen (molekulare, subzelluläre, zelluläre und multizelluläre Ebene) und das Verständnis, wie extrazelluläre Umgebung und intrazelluläre Faktoren die subzellulären Myofibrillen und die Zellreifung von hPSC-CMs unter pathologischen und nicht-pathologischen Bedingungen beeinflussen können, für uns wichtige Forschungsziele dar.
Hypertrophe Kardiomyopathie: Contractile Imbalance als zentraler Pathomechanismus? Untersuchungen an humanem Myokard und zellulären Modellen.
Prof. Dr. Theresia Kraft
Institut für Molekular- und Zellphysiologie
Carl-Neuberg-Straße 1
30625 Hannover
Büro I03-Block 1 - Ebene 03 -1010
Telefon (+49) 511 532 6396
Fax (+49) 511 532 4296
E-Mail Prof. Dr. rer. nat. T. Kraft
Forschungsschwerpunkt
Eines unserer zentralen Ziele ist es, aufzuklären, wie Mutationen in sarkomerischen Proteinen die Sarkomerfunktion in Kardiomyozyten stören und zum Krankheitsbild der Hypertrophen Kardiomyopathie (HCM) führen können.
Richtungsweisend ist unsere Beobachtung, dass durch HCM-Mutationen verursachte funktionelle Veränderungen im Myokard betroffener heterozygoter Patienten von Zelle zu Zelle sehr unterschiedlich ausgeprägt sind. Manche Kardiomyozyten zeigten beispielsweise bei physiologischer Calciumkonzentration deutlich reduzierte Kraftentwicklung, während sich andere bei gleichem Calcium wie gesunde Kardiomyozyten verhielten, als ob in diesen Zellen kein mutiertes Protein exprimiert wurde. Inzwischen konnten wir für β-kardiales Myosin (β-MyHC) und kardiales Troponin I (cTnI) zeigen, dass in den einzelnen Kardiomyozyten von HCM-Patienten höchst unterschiedliche Anteile an mutierter und Wildtyp-mRNA exprimiert werden. Dies führt höchstwahrscheinlich zu entsprechend unterschiedlichen Anteilen an mutiertem und Wildtyp-Protein und damit zu der beobachteten Variabilität der biomechanischen Funktion. Unsere Hypothese ist, dass die resultierende funktionelle Variabilität zwischen benachbarten Kardiomyozyten im zellulären Netzwerk des Myokards Distorsionen der Zellen verursacht, die zu typischen Merkmalen der HCM wie zelluläres und myofibrilläres Disarray, Hypertrophie und Fibrose führen („contractile imbalance“ Hypothese).
Inzwischen konnten wir zeigen, dass die Zell-zu-Zell Variabilität des Anteils an mutierter mRNA höchstwahrscheinlich darauf beruht, dass mutiertes und Wildtyp-Allel unabhängig voneinander in zufälligen bursts transkribiert werden. Modellrechnungen bestätigten die Hypothese, dass eine unabhängige, burst-like Transkription der beiden Allele zu unterschiedlichen Anteilen an mutiertem und Wildtyp-Protein in den einzelnen Kardiomyozyten und damit zur beobachteten funktionellen Variabilität führen kann. Nach diesem Konzept kann eine Mutation in einem sarkomerischen oder auch nicht-sarkomerischen Protein (z.B. Kinasen), die eine Änderung der biomechanischen Funktion des Sarkomers/der Myofibrillen zur Folge hat, über zufällige, burst-like Transkription zu funktionellem Ungleichgewicht zwischen einzelnen Kardiomyozyten führen und somit zur Entwicklung einer HCM beitragen.
Ziele sind, die primären funktionellen Auswirkungen von HCM-Mutationen in weiteren sarkomerischen Proteinen auf molekularer Ebene durch Untersuchungen an Myokardgewebe von HCM-Patienten zu identifizieren und von Zelle zu Zelle zu charakterisieren. Weiterhin analysieren wir auf Einzelzellebene Veränderungen in Signalwegen, die aufgrund der contractile imbalance induziert werden und zu Hypertrophie und Fibrosierung führen können. Von großer Bedeutung ist schließlich, Mechanismen der burst-likeTranskription der betroffenen Gene für sarkomerische Proteine in Kardiomyozyten aufzuklären, um die Expression modulieren zu können und neue therapeutische Targets zu identifizieren.
Diese Punkte werden zusammen mit den AGs Montag, Weber und Iorga an Gewebe aus dem Myokard von HCM-Patienten sowie an zellulären Modellen, die auf stammzell-abgeleiteten Kardiomyozyten mit HCM-Mutationen basieren, untersucht. Zudem arbeiten wir mit AG Montag an einem Schweinemodell für die HCM mit einer Punktmutation im β-kardialen Myosin, um vor allem auch longitudinal den Krankheitsverlauf auf verschiedenen Ebenen untersuchen zu können. Sowohl Zellkulturmodelle als auch Tiermodell ermöglichen es uns, nicht nur die contractile imbalance Hypothese weiter zu untersuchen, sondern auch neue pharmakologische Interventionsmöglichkeiten zur frühen Prävention der Entwicklung der HCM abzuleiten. Nicht zuletzt gewinnen wir durch Untersuchungen der primären funktionellen Auswirkungen von HCM-Mutationen auch Einblicke in die Relevanz der einzelnen Proteine bzw. ihrer Subdomänen für die Funktion des Sarkomers.
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Ungleiche allelische Expression (von Zelle zu Zelle) als Pathomechanismus für Hypertrophe Kardiomyopathie
Institut für Molekular- und Zellphysiologie
Carl-Neuberg-Straße 1
30625 Hannover
Büro I03-Block 1 - Ebene 03 – Raum 1320
Telefon (+49) 511 532 2759
Fax (+49) 511 532 4296
E-Mail Kathrin Kowalski
Forschungsschwerpunkt
Wir untersuchen die ungleiche Expression von Wildtyp- und mutiertem Allel in heterozygoten Patienten mit Hypertropher Kardiomyopathie als möglichen Pathomechanismus.
In vorangegangenen Arbeiten konnte in unserer Abteilung gezeigt werden, dass Kardiomyozyten eines Patienten bei der gleichen Calciumkonzentration stark unterschiedliche Kräfte generieren. Wir haben die Hypothese aufgestellt, dass diese funktionelle Variabilität zwischen benachbarten Kardiomyozyten das zelluläre Netzwerk des Myokards zerstört und dadurch zu typischen Merkmalen der HCM wie zelluläres und myofibrilläres Disarray, Hypertrophie und Fibrose führt („contractile imbalance“ Hypothese).
Ein besonderer Fokus unserer Arbeitsgruppe liegt auf der Untersuchung der molekularen Grundlage der „contractile imbalance“. Dazu analysieren wir die allelspezifische Expression in einzelnen Kardiomyozyten aus Gewebeschnitten von HCM-Patienten und herzgesunden Kontrollen und in humanen induzierten pluripotenten Stammzellen. Wir konnten zeigen, dass einzelne Kardiomyozyten stark unterschiedliche Anteile an mutierter zu Wildtyp-mRNA exprimieren. Darüber hinaus visualisieren wir aktive Transkriptionstellen in einzelnen Zellkernen, um zu überprüfen, ob eine stochastische und unabhängige Expression der Allele der ungleichen allelischen Expression von Zellen zu Zelle zugrunde liegt. Um eine longitudinale Analyse der contractile imbalance und der zugrundeliegenden Mechanismen zu erforschen und um mögliche therapeutische Ansätze zu testen, arbeiten wir darüber hinaus an der Generierung eines genomeditierten Schweins mittels CRISPR/Cas9 als Großtiermodell für HCM.
Arbeitsgruppe Chromatin und SUMO-Physiologie
PhD. Arnab Nayak
Institut für Molekular- und Zellphysiologie
Carl-Neuberg-Straße 1
30625 Hannover
Büro I03-Block 1 - Ebene 03 -1340
Telefon (+49) 511 532 2094
Fax (+49) 511 532 4296
E-Mail Arnab Nayak
Forschungsschwerpunkte
Mobilität ist ein unverzichtbares Merkmal, das das Überleben und den Erfolg in der lebendigen Welt bestimmt. Etwa 40% der menschlichen Körpermasse ist die Skelettmuskulatur, die diese Mobilität ermöglicht. Neben der Bewegung ist ein weiteres Merkmal der Muskelkraft die Fähigkeit, Last zu tragen. Die Skelettmuskulatur, die eine charakteristische Querstreifung aufweist, ist eine Anordnung linear angeordneter Einheiten, die als "Sarkomere" bezeichnet werden. Das einzelne Sarkomer beherbergt hochorganisierte Strukturen, einschließlich der Aktin- und Myosinfilamente. Die zyklische Wechselwirkung zwischen dieser beiden Filamenttypen ist für die Erzeugung von Kraft und Bewegung auf molekularer bis hin zut organischer Ebene verantwortlich.
Die genaue molekulare Anordnung im Sarkomer ist für die Muskelfunktion von zentraler Bedeutung. Wichtig ist, dass Desorganisation der Sarkomere und die dadurch gestörte Muskelfunktion die typischen Merkmale von Myopathien sind, einschließlich der Krebskachexie, die bei fast 80% der Patienten auftritt.
Unsere Arbeitsgruppe möchte verstehen, wie das SUMO (Small Ubiquitin-like Modifier)-vermittelte epigenetische Programm die Sarkomerorganisation reguliert und wie es bei Muskelschwund/Kachexie dereguliert ist.
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Einzelmolekül Motilität
Dr. rer. nat. Tim Scholz
Institut für Molekular- und Zellphysiologie
Carl-Neuberg-Straße 1
30625 Hannover
Büro: Gebäude J03, Block 01, Ebene 03, Raum 1350
Tel: +49 511 532 -2737 (Büro), -9318 (Labor)
Fax: +49 511 532 -4296
E-Mail: Tim Scholz
Forschungsschwerpunkt
Ein Schwerpunkt der Arbeitsgruppe ist die funktionelle Charakerisierung von Kinesinen, Myosinen und Dynein auf Einzelmolekülebene. Der intrazelluläre Transport z.B. in Nervenzellen, die Trennung der replizierten Chromosomen während der Zellteilung, das Schlagen von Flagellen und Zilien sowie die Muskelkontraktion vielzelliger Lebewesen sind Beispiele für Bewegungen von und in lebenden Organismen. Sie basieren auf der zyklischen Interaktion der Motorproteine Kinesin , Myosin und Dynein mit Strukturproteinen des Zytoskeletts wie Aktin und Tubulin.
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Kardiomyozyten aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen als zelluläres Modell für die Hypertrophe Kardiomyopathie
Institut für Molekular- und Zellphysiologie
Carl-Neuberg-Straße 1
30625 Hannover
Büro: Gebäude J03, Block 01, Ebene 03, Raum 1330
Tel: +49 511 532 -2754
Fax: +49 511 532 -4296
E-Mail: Sarah Konze
Forschungsschwerpunkt
Der Forschungsschwerpunkt unserer Arbeitsgruppe ist die Untersuchung von aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) hergestellten Kardiomyozyten (hiPSC-CMs) mit Mutationen im kardialen Myosin-bindenden Protein C (cMyBP-C). Mutationen im cMyBP-C sind neben Mutationen im beta-kardialen Myosin (MyHC) die häufigste genetische Ursache für die Hypertrophe Kardiomyopathie, einer schwerwiegenden Herzerkrankung, die sich makroskopisch meist in einer ausgeprägten Verdickung des Septums sowie der Wand des linken Ventrikels äußert. Auf mikroskopischer Ebene ist eine Fibrosierung des Herzmuskels sowie ein Verlust der Ausrichtung der Kardiomyozyten (Disarray) erkennbar. Diese Veränderungen führen zu einer zunehmenden Herzinsuffizienz, können aber auch Herzrhythmusstörungen und den plötzlichen Herztod zur Folge haben.
Wir untersuchen hier in einem DFG-geförderten Projekt mehrere hiPSC-Linien mit unterschiedlichen Mutationen in cMyBP-C, um das Verständnis der molekularen Mechanismen, die zur Entstehung der Krankheit beitragen, zu verbessern. Unsere Hypothese ist, dass ungleiche Kontraktionseigenschaften benachbarter Kardiomyozyten („contractile imbalance“) zur Entwicklung von Disarray und Fibrosierung führen oder beitragen. Mechanismen, die zur contractile imbalance führen, sollen hier im zellulären Modell charakterisiert werden.