Forschungsschwerpunkt
Unsere Forschung konzentriert sich auf vesikuläre und nicht-vesikuläre Membrantransportprozesse in neuronalen und anderen erregbaren Zellen, die zellulärer Kommunikation zugrunde liegen. Der Vesikel-basierte Transport ist für die Sekretion von Biomolekülen wie Neurotransmittern, Hormonen und Peptiden mittels Ca2+-vermitteltem Tethering und Fusion verantwortlich und somit essenziell für Stimulus-getriggerte Exozytose. Nicht-vesikulärer Transport findet mittels spezialisierter Proteine und Proteinkomplexe an Membrankontaktstellen zwischen Organellen statt und neuere Erkenntnisse deuten darauf hin, dass diese entscheidenden Einfluss auf Kalzium-induzierte Freisetzung durch die Modulation der Lipid- und Ionenzusammensetzung haben. Dementsprechend wird eine Dysfunktion dieser Kontaktstellen unter anderem mit neurodegenerativen und Stoffwechselerkrankungen in Verbindung gebracht. Es ist jedoch ungeklärt wie genau vesikulärer und nicht-vesikulärer Transport in Raum und Zeit zusammenspielt um eine effiziente interzelluläre Signalübertragung zu gewährleisten und wie diese Prozesse in kranken Zellen verändert sind. Unser Ziel ist es, die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen durch die Analyse der beteiligten molekularen Maschinen aufzuklären und darzustellen wie diese mit deren Ultrastruktur im Membrankontext zusammenhängen. Des Weiteren wollen wir auch neue Kandidaten und Interaktionspartner identifizieren, die die Membrandynamik in Nerven- und erregbaren Zellen steuern.
Hierbei liegt unser Fokus auf der Proteinfamilie der Ferline, bei denen es sich um membranverankerte C2-Domänen-Proteine handelt, die Kalzium-sensitive Membrandynamiken in sensorischen Synapsen im Innenohr und in Muskelzellen steuern. Mutationen in diesen Proteinen verursachen Hörschäden (Otoferlin), Muskeldystrophie (Dysferlin und Myoferlin) und Krebs (Myoferlin), doch ihre molekularen Mechanismen sind weitgehend ungeklärt. Eine neue Forschungslinie zielt darauf ab, die Rolle von Tethering- und Lipidtransferproteinen an Membrankontaktstellen zu analysieren.
Unser methodisches Spektrum umfasst biochemische Methoden, die wir mit Ultrastrukturstudien kombinieren. Diese bestehen aus der Rekonstitution rekombinanter und nativer Membranproteine in künstliche Membranen, die Isolation von Organellen aus Mausgewebe und kultivierten Zellen, und die Entwicklung hybrider Vesikelsysteme, zusammengesetzt aus nativen Vesikeln, die mit künstlichen Vesikeln mittels ko-rekonstituierter Proteine fusioniert werden. Diese Minimalsysteme ermöglichen uns die präzise Steuerung proteinfunktionsrelevanter Parameter, wie z.B. die Ionen- und Lipidzusammensetzung, Membrankrümmung und -spannung sowie Messungen in Gegenwart von Substraten und Wirkstoffkandidaten. Wir kombinieren diese Ansätze mit fortgeschrittenen Analysemethoden, die biochemische und biophysikalische Messmethoden und hochauflösende Technologien der Elektronenmikroskopie – einschließlich Einzelpartikel-Kryo-Elektronenmikroskopie und Kryo-Elektronentomographie – und Proteomanalysen umfassen.