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3.12 Prof. Dr. Ferdinand Hucho

Institut für Biochemie

Keywords: Signal transduction, Neurotransmitter receptors, Protein kinases, Ultrastructural research.


AG Neurochemie, Thielallee 63, 14195 Berlin: Tel. +49 30 838-55545; Fax -53753. E-mail: hucho@chemie.fu-berlin.de

Abstract

The group's main topic is signal transduction. We investigate the pathway of extra-cellular signals through the plasma membrane to the nucleus. The object of our investigation is the nicotinic acetylcholine receptor, a neurotransmitter receptor which regulates membrane potentials. We investigate its protein structure and mechanism of function by means of microsequencing, mass spectrometry, spectroscopical and other structural methods. The signal transduction from the plasma membrane to the nucleus is investigated through a different model: the object of this part of our research project is protein kinase C, a protein kinase which moves between the cytoplasm, the cell membrane and the nucleus, thereby transporting information. We investigate its mechanism of transport by biochemical, molecular biological and cell biological methods.

Wissenschaftlicher Werdegang

Studium: Chemie. U. Freiburg; Promotion: ein enzymologisches Thema, Kurt Wallenfels (1968); PostDoc: U. Texas, Austin, Lester Reed, Regulation von Multienzymkomplexen (1969-70); Assistent: U. Konstanz, Horst Sund; Forschungsaufenthalt, Inst. Pasteur, Paris (1971); Habil.: 1974; Professor: FU Berlin (seit 1979); zwei Rufe und ein Erster-Listenplatz der U. Gießen, Köln und Bochum (1988-89).

Kooperationspartner

viele Kooperationen mit Arbeitsgruppen im In- und Ausland.

Drittmittelgeber

DFG, BMBF, EU, Fonds der Chemie.

Forschungsgebiete

Signaltransduktion über zelluläre Kompartimentbarrieren Ein wichtiger Aspekt biologischer Signalketten ist der Signaltransfer über die Membranbarrieren lebender Systeme, z.B. die Übertragung extrazellulärer Signale durch die Plasmamembran hindurch in das Zellinnere und cytoplasmatischer Signale in den Kern (Abb. 1). Als Signalwandler an der Plasmamembran fungieren Rezeptorproteine, die mit hoher Selektivität ihr spezielles Signal erkennen (Rezeptorteil R), das Signal wandeln und auf der cytoplasmatischen Seite zu Wirkungen führen (Effektorteil E). Ein Kopplungsteil, der Transduktor T, reguliert die Wechselwirkung zwischen 'R' und 'E'. Die RTE-Funktionen von Rezeptoren in der Plasmamembran können in einem Proteinmolekül integriert sein, wie z.B. beim nikotinischen Acetylcholinrezeptor, oder von einem zerlegbaren, aber zu einem Protein-Komplex vereinigten, Wirkungsgefüge übernommen werden. In diesem Fall werden intrazelluläre Signalketten in Gang gesetzt, die als zentrale Elemente Proteinkinasen enthalten. Die Aktivierung der Proteinkinasen erfolgt entweder durch "second messenger" oder über eine Reihe von Protein-Protein Wechselwirkungen.


Abb. 1. Signalwege zum Zellkern. Darstellung der Signalwege zum Zellkern über intrazelluläre Rezeptoren, z.B. Steroidhormon-Rezeptoren (A) oder Rezeptoren in der Plasmamembran (B). Während Steroidhormone in die Zelle gelangen, bleiben andere Signale wie Peptidhormone oder Neurotransmitter außerhalb der Zelle. In diesem Fall findet eine Signaltransduktion an der Plasmamembran statt. Es werden intrazelluläre Signalketten in Gang gesetzt, die als zentrales Element Proteinkinasen enthalten. Die Aktivierung von Proteinkinasen ist auch ein wesentlicher Zwischenschritt in der Signalübertragung in den Zellkern.

Wir untersuchen Struktur und Funktionsmechanismus des nikotinischen Acetylcholinrezeptors als Modell für die gesamte Klasse dieser Rezeptorproteine (Abb. 2). Hierfür setzen wir sowohl Methoden der Proteinchemie wie Mikrosequenzierung und Massenspektrometrie als auch spektroskopische Methoden ein. Ziel ist die Aufklärung der dreidimensionalen Struktur des Rezeptorproteins mit möglichst hoher Auflösung. Der Acetylcholinrezeptor arbeitet physiologisch mit der Acetylcholinesterase zusammen, ein Enzym, das wir (zusammen mit Christoph Weise) mit biochemischen und molekularbiologischen Methoden untersuchen.


Abb 2. Modell des nikotinischen Acetylcholinrezeptors.

In einem zweiten Projekt (zusammen mit Klaus Buchner) wird die Signalkette zum Zellkern verfolgt. Eine Signaltransduktion zum Zellkern ist bei allen längerfristigen Änderungen des physiologischen Zustands der Zellen erforderlich. Hierzu gehören z.B. Regulation von Wachstum und Differenzierung, sowie im Nervensystem plastische Veränderungen während der Entwicklung und während erfahrungsabhängiger Prozesse wie Lernen und Gedächtnisbildung. Zentrale Komponenten der intrazellulären Signalweiterleitung zum Zellkern sind Proteinkinasen (Abb. 1). Eine wichtige Kinase ist dabei die Proteinkinase C (PKC), deren Aktivierung z.B. für die Induktion und Aufrechterhaltung der Langzeitpotenzierung (einem Modell für Gedächtnisbildung) unerläßlich ist.

Ziel dieses Projekts ist es, die Rolle der Proteinkinase C im Signalweg zum Zellkern und bei Signaltransduktionsprozessen an der Kernmembran neuronaler Zellen zu analysieren. Es sollen dabei modellhaft Mechanismen der subzellulären Verteilung eines für entwicklungs- und erfahrungsabhängige Plastizität des Nervensystems wichtigen Enzyms und seine Funktion in einem Kompartiment (dem Zellkern) untersucht werden.

Isoformen der PKC konnten an isolierten Zellkernen aus Rinderhirn und in Zellkernen in Neuroblastomzellen lokalisiert werden. Interessanterweise sind bestimmte PKC-Isoformen in verschiedenen Subkompartimenten des Kerns (Nucleoplasma, Kernhülle, Nucleoli) angereichert.

Gegenwärtig werden folgende Probleme bearbeitet:

1. Veränderungen der Lokalisation von Isoformen der PKC in Zellkernen von Primärkultur-Neuronen in Abhängigkeit von ihrer Entwicklung und auf äußere Stimuli hin.

2. Nähere Bestimmung der Funktion Kern-assoziierter PKC durch Identifizieren und Charakterisieren von Substraten. Die Identifizierung und Charakterisierung der PKC-Substrate, die nur in sehr geringen Mengen vorliegen, wird mit Hilfe von proteinchemischen (MALDI-Massenspektrometrie) und molekularbiologischen Methoden vorgenommen.

3. Mechanismus der Translokation der PKC zum Zellkern und in den Zellkern hinein. Hierbei sollen die Bereiche in der PKC-Sequenz herausgefunden werden, die wahrscheinlich über eine Interaktion mit anderen Proteinen, eine Translokation zum Zellkern vermitteln können.

Literaturliste

  1. C. Weise, H.-J. Kreienkamp, R. Raba, A. Pedak, A. Aaviksaar, F. Hucho. EMBO Journal 1990, 9, 3885-3888.
  2. H.-J. Kreienkamp, C. Weise, R. Raba, A. Aaviksaar, F. Hucho. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1991, 88, 6117-6121.
  3. H. Herken, F. Hucho (Eds.) Handbook of Experimental Pharmacology, Vol. 102 Selective Neurotoxicity 1992, Springer-Verlag: Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, 874 Seiten.
  4. R. Beckmann, K. Buchner, P.R. Jungblut, C. Eckerskorn, C. Weise, R. Hilbert, F. Hucho, Eur. J. Biochem. 1992, 210, 45-51.
  5. F. Hucho (Ed.) New Comprehensive Biochemistry - Neurotransmitter Receptors. 1992, Elsevier Science Publishers: Amsterdam.
  6. U. Görne-Tschelnokow, A. Strecker, C. Kaduk, D. Naumann, F. Hucho. EMBO Journal 1994, 13, 338-341.
  7. F. Hucho, U. Görne-Tschelnokow, A. Strecker. TIBS 1994, 19, 383-387.
  8. F. Hucho, Angew. Chem. 1995, 107, 23-36, und Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1995, 34, 39-50.
  9. K. Buchner. Eur. J. Biochem. 1995, 228, 211-221.
  10. S. Emig, D. Schmalz, M. Shakibaei, K. Buchner. J. Biol. Chem. 1995, 270, 13787-13793.
  11. J. Machold, Y.N. Utkin, D. Kirsch, R. Kaufmann, V.I. Tsetlin, F. Hucho. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1995, 92, 7282-7286.

Weitere Verweise


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© 1996, Redaktionsschluß: 1996-08-01.