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Den einzelnen Membranrezeptor im Blick

Membranrezeptoren sind gewissermaßen die Sinnesorgane der Zelle, sie fangen Signale aus der Umgebung auf und geben sie ins Zellinnere weiter. Die meisten Forschungsgruppen konzentrieren sich auf die Interaktionen zwischen Rezeptoren und den im Zellinneren nachgeschalteten Signalmolekülen, sie behandeln den einzelnen Rezeptor als „Blackbox“. Die unabhängige Forschungsgruppe des Juniorprofessors Dr. Maximilian Ulbrich vom Exzellenzcluster BIOSS der Universität Freiburg verfügt über eine Methode, einzelne Untereinheiten von Rezeptoren in der Membran mit hoher Auflösung und in Echtzeit zu beobachten. Wie sind Membranrezeptoren zusammengesetzt? Welche Proteine sind an sie gebunden und beeinflussen ihre dynamische Aktivität? Fragen, die Vorgänge an Synapsen beleuchten helfen. Aber auch in anderen Geweben.

Die unabhängige Forschungsgruppe von Juniorprofessor Dr. Maximilian Ulbrich (zweiter von links). © Dr. Maximilian Ulbrich

Noch vor zehn Jahren schien alles einfach: Ein Signal dockt an eine Zelle an, aktiviert einen Rezeptor und der meldet das ins Zellinnere weiter. Heute ist klar, dass Rezeptoren komplexe Maschinen sind, die aus verschiedenen Untereinheiten zusammengesetzt sein können und mit Dutzenden anderer Proteine interagieren, die ihre Funktion modulieren oder sie an bestimmte Orte in der Membran bringen. „Die Prozesse, die an den Rezeptoren einer Zelle ablaufen, sind extrem kompliziert“, sagt Juniorprofessor Dr. Maximilian Ulbrich vom Zentrum für Biologische Signalstudien (BIOSS) und vom Institut für Physiologie der Universitätsklinik in Freiburg. „Rezeptoren sind in komplexe Netzwerke aus Molekülen eingespannt, deren Aufbau und Dynamik oft vollkommen unklar sind.“ Als Postdoc in Berkeley (Kalifornien) hat Ulbrich zwischen 2004 und 2009 eine Methode entwickelt, den einzelnen Rezeptor und seine Interaktionspartner unter die Lupe zu nehmen. Momentan interessieren er und seine drei Mitarbeiter sich für zwei Gruppen von Rezeptoren, die entscheidende physiologische Rollen spielen: die G-Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) und die ionotropen Glutamatrezeptoren.

Totale Reflektion und das Innere des Rezeptors

GPCRs stellen mit rund tausend bekannten Vertretern die größte Gruppe von Rezeptoren dar, sie kommen in allen Zelltypen vor. Der typische GPCR besteht aus einer oder zwei Untereinheiten, die in der Membran lokalisiert sind. Derjenige Teil des Molekülkomplexes, der unter der Membran, also im Zellinneren, sitzt, ist an ein G-Protein gebunden, ein Molekül, das in der Lage ist, mit verschiedenen Signalkaskaden zu interagieren. GPCRs schwimmen gewissermaßen in der Membran, sind nicht fest darin verankert. Anders die ionotropen Glutamatrezeptoren, die vorzugsweise in den Membranen von Nervenzellen zu finden sind und deren Reizweiterleitung ermöglichen. Diese Rezeptoren sind Ionenkanäle. Sie sind fest an bestimmten Orten in der Membran verankert und definieren die Bereiche, in denen Ströme fließen können. Bindet der Neurotransmitter Glutamat, dann öffnen sie sich und erzeugen Veränderungen des Membranpotenzials - die Grundlage für die Reizweiterleitung im Nervensystem.

Mittels Kolokalisation von verschieden markierten Untereinheiten (hier grün und rot) lässt sich der Zusammenbau von Proteinen untersuchen. Hier wurden zum Beispiel verschiedene Untereinheiten des NMDA-Rezeptors zusammen exprimiert, die sich je nach Typ entweder immer zusammensetzen (links) oder nie miteinander interagieren (rechts). Im Einzelmolekül-Experiment ist das Ergebnis direkt sichtbar (die zwei oberen Mikroskopaufnahmen). © Dr. Maximilian Ulbrich

Es ist bekannt, dass Rezeptoren aus verschiedenen Untereinheiten aufgebaut sein können, die zum Teil unterschiedliche Eigenschaften haben. Aber diese Tatsache wird bei Untersuchungen von Signalprozessen oft übergangen. Ulbrich und sein Team sehen hier Forschungsbedarf. „Wir finden es wichtig zu wissen, ob der GPCR eines bestimmten Typs zum Beispiel aus zwei gleichen oder aus zwei unterschiedlichen Untereinheiten zusammengesetzt ist“, sagt der studierte Physiker Ulbrich. „Das kann entscheidend für seine besondere Funktionsweise sein.“ Außerdem können sowohl GPCRs als auch Glutamatrezeptoren in ihrer Aktivität moduliert werden. Die Öffnung für Ionen kann bei Glutamatrezeptoren zum Beispiel kürzer oder länger anhalten, je nachdem, welche anderen Proteine an die Rezeptoren gebunden sind. Was passiert also in, an und um einen einzelnen Rezeptor, während er Signale einfängt und ins Zellinnere übersetzt? Um das zu untersuchen, verwenden Ulbrich und sein Team die Methode der sogenannten Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF).

Es geht um die Stöchiometrie

Unbefruchtete Eier des afrikanischen Krallenfrosches werden durch das Objektiv des Mikroskops mit einem Laser (grüner Strahl) beleuchtet. Durch den geringen Einfallswinkel des Lasers wird dieser an der Glasoberfläche reflektiert und beleuchtet damit nur die adhärierte Membran der Zelle. Sind die einzelnen Moleküle des Membranproteins mit GFP markiert, lassen sie sich als leuchtende Punkte erkennen. © Dr. Maximilian Ulbrich

Auf den ersten Blick handelt es sich dabei um eine klassische Mikroskopiemethode, im Ulbrich-Labor steht jedenfalls ein ganz normales Laser-Mikroskop. Das Besondere liegt im Detail: Der Lichtstrahlengang im Mikroskop ist so modifiziert, dass das Licht nicht durch eine Probe geht, sondern von ihrer Oberfläche reflektiert wird. Das liegt am Einfallswinkel des Lichtstrahls, der sehr flach ist. Das Objektiv und die daran angeschlossene Kamera fangen also Licht ein, das nur die Oberfläche einer in der Probe befindlichen Zelle gestreift hat. Die Zelle selbst bleibt im Dunkeln, nur die Membran ist sichtbar. Um die darin sitzenden oder schwimmenden Rezeptormoleküle zu visualisieren, markieren die Forscher um Ulbrich sie mit fluoreszierenden Proteinen wie dem GFP. Bei der heute möglichen Empfindlichkeit von CCD-Kameras können sie einzelne Moleküle leuchten sehen. Weil lebende Zellen beobachtet werden, ist es sogar möglich, die Bewegung von Rezeptoren und Veränderungen in ihrem Verhalten nach Zugabe eines Signals zu verfolgen. Unter Verwendung mehrerer Markerproteine, die in verschiedenen Farben leuchten, können die Wissenschaftler ungleiche Untereinheiten der Proteine voneinander unterscheiden. Sie sehen damit, welche aneinander gebunden sind und welche nicht.

„Es sind vor allem stöchiometrische Aussagen, die wir mit der Hilfe unserer Methoden treffen können“, sagt Ulbrich. Es hat also immer was mit Zählen zu tun. Die Freiburger möchten jetzt zum Beispiel herausfinden, wie das Mengenverhältnis von verschiedenen Untereinheiten in einem GPCR eines bestimmten Typs ist und ob dieses Mengenverhältnis für die Funktion des Rezeptors wichtig ist. In einem anderen Projekt wollen sie messen, wie viele modulatorische Proteine an einen Glutamatrezeptor des sogenannten AMPA-Typs binden können, während er seine Funktion ausführt. Eine solche Aussage wäre mit biochemischen oder genetischen Methoden nicht möglich, denn die können immer nur feststellen, ob die modulatorischen Proteine überhaupt vorhanden sind, unabhängig von ihrem Mengenverhältnis.

Eigene Projekte und Kooperationen

Ulbrich und sein Team stellen ihr Know-how auch als "Dienstleistung" für andere Forschungsgruppen zur Verfügung. In einem Kollaborationsprojekt mit Forschern aus den USA konnten die Freiburger auf diese Weise zum Beispiel bestätigen, dass ein von den Amerikanern entdeckter Rezeptor aus zwei unterschiedlichen Untereinheiten zusammengesetzt ist, in einem Verhältnis von drei zu eins. Ihre Methode ist inzwischen perfektioniert. „Jetzt möchten wir auch unsere eigenen Projekte angehen“, sagt Ulbrich. „Hierfür haben wir uns wie gesagt die GPCRs und die Glutamatrezeptoren ausgesucht.“ In naher Zukunft wollen die Freiburger sich aber auch anderen Schwerpunkten öffnen. Im Rahmen von BIOSS können sie auf ein breites Spektrum an unterschiedlichen Forschungsrichtungen in Freiburg bauen: Zellbiologie, Neurobiologie, Immunbiologie und vieles mehr. Und sie werden willkommene Kooperationspartner sein, denn Membranrezeptoren spielen in allen Signalnetzwerken und damit in allen Bereichen der Lebenswissenschaften eine entscheidende Rolle.

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/den-einzelnen-membranrezeptor-im-blick