Molekulare Zellbiologie
Die Abteilung Molekulare Zellbiologie unter der Leitung von Prof. Dr. Joost Holthuis untersucht, wie Zellen aus einem strukturell vielfältigen Repertoire an Lipiden Membranen aufbauen und so die komplexesten biomolekularen Systeme der Natur schaffen.
Lipid-Code der Zellorganellen
Die Identität und Funktion zellulärer Organellen hängt entscheidend von den in ihren Lipiddoppelschichten verschlüsselten Informationen ab. Im Holthuis-Labor untersuchen wir die funktionellen Auswirkungen von krankheitsbedingten Ungleichgewichten in den Lipidcodes der Organellen. In Zusammenarbeit mit klinischen Forschern haben wir Mutationen in der Sphingomyelinsynthase SMS2 als Ursache für eine seltene Form der Skelettdysplasie identifiziert. Pathogene SMS2-Varianten behalten ihre enzymatische Aktivität bei, können jedoch das endoplasmatische Retikulum (ER) nicht verlassen, werden fehlgeleitet zum cis-Golgi oder zeigen ein abnormales Pendeln zwischen dem ER und dem Golgi-Apparat. Infolgedessen produzieren Zellen, die pathogene Varianten von SMS2 beherbergen, Sphingomyelin am falschen Ort. Dies wiederum führt zu einer Störung des Sphingomyelin/Cholesterin-Gradienten in den Membranen des sekretorischen Weges und zu Störungen in mehreren zellulären Signal-Lipidpools. Mithilfe von krankheitsrelevanten Zellmodellen und Lipid-Biosensoren wollen wir die Lipidcodes der Organellen entschlüsseln und den Mechanismus aufklären, durch den pathogene SMS2-Varianten die normale Knochenbildung stören.
Membranasymmetrie
Ein grundlegendes Merkmal der zellulären Plasmamembranen ist eine asymmetrische Lipidverteilung zwischen den beiden Schichten der Doppelschicht, wobei Sphingolipide in der exoplasmatischen Schicht angereichert sind und Aminophospholipide in der zytosolischen Schicht konzentriert sind. Diese nicht im Gleichgewicht befindliche Anordnung wird durch ATP-gesteuerte Transporter aufrechterhalten, die Lipide entgegen ihrem Konzentrationsgefälle zwischen den Schichten transportieren. Obwohl die Membranasymmetrie mit vielen physiologischen Prozessen in Verbindung steht, ist es oft nicht die Membranasymmetrie selbst, sondern vielmehr ihre temporäre Umkehrung, die wichtige zelluläre Reaktionen vermittelt. Beschädigte Lysosomen zeigen beispielsweise eine vorübergehende Freisetzung der Sphingomyelin-Asymmetrie als Teil eines Mechanismus, der die Reparatur der Lysosomen über einen inversen Membranknospungs- und Spaltungsprozess vorantreibt. Darüber hinaus spielt die Aufhebung der Lipidasymmetrie durch Ca2+-aktivierte Scramblasen eine entscheidende Rolle bei der Wiederherstellung von Zellen, die durch bakterielle Toxine geschädigt wurden. Um die direkten Auswirkungen einer vermischten Lipidverteilung auf die Biophysik, Plastizität und Funktion von Zellmembranen zu untersuchen, verwenden wir Zellen, die mit induzierbaren Scramblasen ausgestattet sind, in Kombination mit chemischen Verbindungen, die eine Lipidumwandlung auslösen sollen.
Tumorsuppressorlipide
Ceramide sind zentrale Zwischenprodukte des Sphingolipidstoffwechsels, die eine Vielzahl von tumorsuppressiven Zellprogrammen aktivieren können, darunter auch die Apoptose. Wir haben zuvor gezeigt, dass Ceramide direkt auf die Mitochondrien einwirken können, um die Apoptose auszulösen, und haben spannungsabhängige Anionenkanäle (VDACs) als kritische Effektoren des Ceramid-vermittelten Zelltods identifiziert. VDAC-Reste, die die Ceramid-Interaktion vermitteln, sind ebenfalls an der mitochondrialen Bindung der Hexokinase I beteiligt – einem potentiellen Checkpoint der Apoptose. Insgesamt stützen unsere Daten ein Modell, in dem Ceramide als Modulatoren von VDAC-basierten Plattformen fungieren, um die mitochondriale Rekrutierung von pro- und anti-apoptotischen Proteinen zu steuern. Um dieses Modell zu überprüfen, nutzen wir schaltbare Ceramid-Transferproteine und die mitochondrienspezifische Freisetzung von photokäfigierten Ceramiden in Kombination mit Live-Cell-Imaging und Funktionsstudien. Die Aufklärung des Wirkungsmechanismus von Ceramiden würde ermöglichen, ihr Anti-Tumor Potential für therapeutische Behandlungen erweitert zu nutzen.
