FOR 2518/1: Funktionale Dynamik von Ionenkanälen und Transportern – DynIon –
Ionenpermeation in kaliumselektiven und nicht-selektiven Kationenkanälen (TP 03)

Deutsche Projektbeschreibung
Die Aktivierung von Glutamatrezeptoren des AMPA-Typs in exzitatorischen Synapsen ist ein für das komplexe Denken essentielles Ereignis im Nerven System. Die molekularen Mechanismen der Kationenpermeabilität (einschließlich des kritischen Second Messengers Ca2+) in AMPA-Rezeptoren sind bis dato unbekannt, da alle verfügbaren Strukturen eine geschlossene Pore und einen unstrukturierten Selektivitätsfilter zeigen. Unser Ziel ist es, die GluA2 Pore von Artverwandten zu kristallisieren und dafür prokaryotische Ionenkanäle als Gerüst zu verwenden. Wir werden die Eignung der Kandidaten für atomare Simulationen der Ionenpermeation mit Hilfe von Elektrophysiologie validieren. Mit Hilfe von Strukturmodellen werden wir die Permeabilität der Kationen gemäß der verschiedenen, chemischer Eigenschaften von nativen Kanälen simulieren und die daraus abgeleiteten Prognosen mit Einzelkanalaufzeichnungen testen. AMPA-Rezeptorkomplexe sind mit zahlreichen Hilfsproteinen versehen, die einerseits als Chaperone fungieren, aber auch die Rezeptoren mit ungewöhnlichen Aktivierungseigenschaften ausstatten können. Dies jedoch durch bisher weitgehend unbekannte Mechanismen. In einem zweiten, unabhängigen Ansatz möchten wir die strukturellen Mechanismen identifizieren, die der Wirkung durch Hilfsproteine zu Grunde liegen. Dafür werden Glutamatrezeptordomänen mit Segmenten von Hilfsproteinen co-kristallisiert, um in der Folge Markov Zustandsmodelle der Dynamik von der Aktivierungseinheit des AMPA-Rezeptors (das aktive Dimer der Ligandenbindungsdomäne) zu erstellen. Der Einfluss, den die Wechselwirkungen mit Hilfsproteinen auf diese Rezeptordynamik hat, wird durch kurze, sich im Ungleichgewicht befindliche atomistische Simulationen beurteilt. Basierend auf diesen Ergebnissen werden Mutanten designt, welche elektrophysiologisch untersucht werden.

Englische Projektbeschreibung
The activation of AMPA-type glutamate receptors at excitatory synapses is a fundamental event in the nervous system, essential for complex thought. The molecular mechanisms govern cation permeability in AMPA receptors (including that of the critical second messenger Ca2+) are opaque, because all structures to date have a closed pore and lack ordered selectivity filters. We aim to crystallize congeners of the GluA2 pore using prokaryotic ion channels as scaffolds. We will validate the suitability of candidates for all-atom simulations of ion permeation with electrophysiology. Armed with structural models we will simulate cation permeability according to various pore chemistries germane to native channels. We will test the ensuing predictions with single channel recording. AMPA receptor complexes are decorated with numerous auxiliary proteins that act as chaperones but also endow receptors with unusual gating properties, through largely unknown mechanisms. In a second, independent approach, we propose to identify structural mechanisms that underlie auxiliary protein action. We will co-crystallize glutamate receptor domains with segments of auxiliary proteins and build Markov state models of the dynamics of the key functional unit of AMPA-receptor activation, the active dimer of ligand binding domains. The influence of interactions with auxiliary proteins on these dynamics will be assessed from short, off-equilibrium atomistic simulations, and we will perform electrophysiological experiments on mutants derived from these results.

Projektleitung
Plested, Andrew Prof. Ph.D. (Details) (Zelluläre Biophysik)

Mittelgeber
DFG: Forschergruppen

Laufzeit
Projektstart: 02/2021
Projektende: 03/2024

Forschungsbereiche
Grundlagen der Biologie und Medizin, Medizin

Zuletzt aktualisiert 2023-14-09 um 06:50