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Signalwege mit UV-Licht präzise steuern

Molekulare Schalter
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Photoschaltbare Fettsäuren
Photoschaltbare Fettsäuren ermöglichen die lichtabhängige Verlagerung des Enzyms Proteinkinase C an die Zellmembran. D. Trauner
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LMU- und EMBL-Forscher haben lebenswichtige zelluläre Botenstoffe mit einem optischen Schalter ausgestattet. Das ermöglicht ihnen detaillierte Einblicke in die komplexen Kommunikationsnetzwerke des Stoffwechsels.

Zellen reagieren auf Reize von außen und geben die Signale im Inneren weiter. Eine zentrale Schaltstelle nehmen dabei sogenannte sekundäre Botenstoffe wie die Diacylglyceride (DAG) ein: Indem die Zelle ihre Konzentration verändert, setzt sie damit intrazelluläre Signalketten in Gang. Auf diese Weise sind die Diacylglycerole (DAG) an der Regulation einer ganzen Reihe lebenswichtiger Stoffwechselprozesse wie zum Beispiel der Insulinsekretion beteiligt. Um das komplexe Signalnetzwerk der Botenstoffe en detail untersuchen zu können, geht ein Team um Dirk Trauner, Professor für Chemische Biologie und Genetik an der LMU, und Carsten Schultz vom European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg nun einen neuen Weg: Sie konnten drei der Diacylglycerole mit einem molekularen Schalter koppeln, der auf Licht reagiert. Mit dieser Konstruktion ist es nun möglich, die entsprechenden Signalwege im Experiment mit UV-Licht präzise zu steuern.

Bestrahlung mit Blaulicht macht den Effekt wieder rückgängig

Diacylglycerole sind im Organismus weit verbreitet. Mehr als 50 Varianten davon gibt es in menschlichen Zellen. Die Moleküle interagieren sowohl mit der Zellmembran als auch mit löslichen Proteinen innerhalb der Zelle. Die in die Diacylglyceride eingebauten Fotoschalter „ändern ihre Struktur je nach Wellenlänge des Lichts, dem sie ausgesetzt sind“, sagt James Frank, Mitarbeiter in Trauners Team und Erstautor des Papers. Die lichtsensitiven Hybridmoleküle sind im Dunkeln inaktiv und werden erst durch die Bestrahlung mit UV-Licht aktiviert. Bestrahlung mit Blaulicht macht den Effekt wieder rückgängig.

Reizübertragung sogar in vivo gesteigert

„Interessanterweise konnten wir auch Eiweiße, die Diacylglycerin binden, mit Licht von einem Ort in der Zelle zu einem anderen steuern – einfach durch einen Lichtblitz“ ergänzt Carsten Schultz. Die drei Diacylyglyceride, die Trauners Team umgestaltet hat, greifen in wichtige Stoffwechselprozesse ein, unter anderem in die Hormonausschüttung der Bauchspeicheldrüse und in die Signalübertragung zwischen Nervenzellen. Diese Prozesse konnten die Forscher im Experiment nun mit Licht steuern. „Im Modellorganismus Caenorhabditis elegans, einem kleinen Fadenwurm, konnten wir die Reizübertragung an neuromuskulären Synapsen sogar in vivo durch UV-Licht steigern“, sagt Trauner. (LMU, red)

Literatur:

James Allen Frank, Dmytro A Yushchenko, David J Hodson et al.: Photoswitchable diacylglycerols enable optical control of protein kinase C. Nature Chemical Biology 2016
DOI: 10.1038/nchembio.2141

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