7 FORSCHUNG UND METHODEN

Ubiquitin ist ein kleines Protein, das andere Proteine markiert, um ihr weiteres Ver- halten zu steuern. Es war seit Jahren bekannt, dass eine Art von Ubiquitin-Markierung Zielproteine zum „Proteinschredder“, dem Proteasom, leitet, wo sie abgebaut werden. Stefan Jentsch entdeckte, dass die Ubiquitin-Kennzeichnung auch anderen wichtigen Zwecken dient, wie etwa der Steuerung der DNA-Reparatur.
Heute wissen wir, dass Ubiquitine und mehrere Ubiquitin-ähnliche Proteine (UBL) den Zeitpunkt, den Aufenthaltsort, die Zusammensetzung, die Konformation und die Aktivitäten tausender verschiedener Proteine und Makromoleküle in den Zellen steuern. Defekte in Ubiquitin- und UBL-Reaktionswegen führen zu zahlreichen Krankheiten wie Krebs, neurodegenerativen Störungen und Virusinfektionen.
Brenda Schulman und ihr Team haben herausgefunden, wie Ubiquitin- und UBL-Mar- kierungen durch große, dynamische Molekülverbände genau an die richtigen Proteine geliefert werden.

Es gibt unzählige Möglichkeiten, wie Aminosäureketten zu Proteinen gefaltet
werden können, doch nur eine ist die richtige, die garantiert, dass ein Protein seine Aufgaben erfüllt. „Zelluläre Anstandsdamen“, Chaperone, sorgen für die korrekte Proteinfaltung und helfen, dass die richtigen Aminosäurestränge eines gerade hergestellten Proteins zueinander finden – eine Entdeckung von F.-Ulrich Hartl und sein Forschungsschwerpunkt bis heute. Chaperone können eventuell sogar entstandene Fehlfaltungen korrigieren. Geschieht dies nicht, können die Proteine verklumpen, sich in Zellen ablagern und sie schädigen. Neurodegenerative Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson oder Chorea Huntington können die Folge sein. Für das Verständnis dieser Krankheiten ist die Erforschung von Chaperonen so wichtig.

Im Gegensatz zum Genom ist das Proteom eines Organismus – also die Gesamtheit aller Proteine – nicht für alle Zellen gleich: Jeder Zelltyp hat eine spezifische Proteinausstattung. Auch innerhalb der Zelle ist das Proteininventar variabel, denn Proteine werden permanent gebildet, verändert oder entsorgt. Diese dynamischen Prozesse untersuchen Matthias Mann und seine Mitarbeiter*innen mit Hilfe der Massenspektrometrie. Mittlerweile hat das Team die Massenspektrometrie so weit optimiert, dass ihre Nutzung in der medizinischen Diagnostik immer weiter in den Fokus rückt. So können mit dieser Methode die Proteine, z. B. aus einem Blutstropfen, identifiziert und so der allgemeine Gesundheitszustand überprüft werden. Da die Proteomforschung von Matthias Mann so viele Bereiche in der biologischen und medizinischen Fachwelt beeinflusst, ist er mit seinen wissenschaftlichen Veröffentlichungen weltweit einer der meistzitierten Wissenschaftler.

Die Zellteilung ist eine Grundeigenschaft des Lebens. Als Biophysikerin untersucht Petra Schwille mit einem synthetisch-mechanistischen Ansatz, welche Proteine für die Zellteilung essentiell sind. Die Gruppe konnte zeigen, dass das Zusammenspiel von nur fünf Proteinen zur Ausbildung einer Teilungsringstruktur in der Mitte eines Fettbläschens (Liposom) führt – ein möglicher erster Schritt zur Nachbildung der Zellteilungsmaschinerie für künstliche Zellen im Reagenzglas.

Erich Nigg erforschte die Mitose, also den Prozess der Kern- und Zellteilung. Sein Team untersuchte, welche Mechanismen die Mitose zeitlich und räumlich regulieren und wie eine fehlerfreie Teilung gewährleistet wird. Störungen dieser Prozesse werden für die Entstehung von Krebszellen verantwortlich gemacht.

Auch Axel Ullrich hat sich mit der Entstehung von Krebszellen beschäftigt. Mit seinem Team hat er Wachstumsfaktor-Rezeptoren auf Zellen und damit die Signalwege untersucht, die Zellen zur Teilung anregen. Die gezielte Blockade der überaktivierten Signalwege hemmt die Zellteilung – die Grundlage für bestimmte Krebsmedikamente.

Die Abteilung von Kikuë Tachibana untersucht die Mechanismen der Umprogrammierung von totipotenten Zellen – also von Zellen, die sich in alle Zelltypen und einen ganzen Organismus entwickeln können. Diese Zellen entstehen nach der Befruchtung einer Eizelle durch ein Spermium. Die mütterlichen und väterlichen Erbinformationen werden neu vereint. Nach der Befruchtung liegt die kombinierte Erbinformation noch inaktiv im Zellkern vor. Während die erste Teilung der befruchteten Eizelle noch mit Hilfe der in ihrem Inneren eingelagerten mütterlichen Faktoren funktioniert, ist für die weitere Entwicklung eines Embryos die Synthese neuer embryonaler Produkte notwendig. Welche Faktoren für das Öffnen der DNA zuständig sind, hat Kikuë Tachibanas Team erst kürzlich entdeckt. Viele Fragen zur molekularen Aktivierung und Umstrukturierung der totipotenten Zellen sind noch nicht beantwortet. Sie werden die Abteilung in den nächsten Jahren intensiv beschäftigen.