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FORSCHUNGSBERICHT 1999-2001

INDEX
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SFB 284: Glykokonjugate und Kontaktstrukturen der Zelloberfläche

Allgemeine Angaben:
Kekulé-Institut für Organische Chemie und Biochemie, Gerhard-Domagk-Straße 1, 53121 Bonn
Telefon: 0228 / 73-53 46
Fax: 0228 / 73-77 78
eMail: Sandhoff@uni-bonn.de

Sprecher:
Prof. Dr. K. Sandhoff

Projektleiter / Beteiligte Hochschullehrer:
Prof. Dr. Ernst Bause
Prof. Dr. med. Dr. es sci. Thomas Bieber
Prof. Dr. Klaudia Brix
Priv. Doz. Dr. Gerhild van Echten-Deckert
Prof. Dr. Michael Famulok
Prof. Dr. Volkmar Gieselmann
Prof. Dr. Volker Herzog
Dr. Roger Klein
Prof. Dr. Norbert Koch
Dr. Thomas Kolter
Prof. Dr. Thomas Magin
Dr. Wolfgang Obermann
Priv. Doz. Dr. Gottfried Pohlentz
Prof. Dr. Konrad Sandhoff
Prof. Dr. Brigitte Schmitz
Dr. Günther Schwarzmann
Priv. Doz. Dr. Otto Traub
Prof. Dr. Klaus Willecke

Projektbereiche und Teilprojekte:

A:  Struktur, Funktion und Enzymologie
A1:  Struktur- und Konformationsanalyse der Glykokonjugate
(Klein, Physiologisch-Chemisches Institut)
A2:  Aktives Zentrum, Aufbau und Membrantopologie des Oligosaccharyltransferase-Komplexes aus Schweineleber
(Bause, Physiologisch-Chemisches Institut)
A5:  in vitro Untersuchungen und Zellkulturstudien an Glykosyltransferasen
(Pohlentz, Physiologisch-Chemisches Institut)
A7:  Chemische und molekularbiologische Werkzeuge zur Untersuchung der Sphingolipid-Biosynthese
(Kolter/Sandhoff, Kekulé-Institut für Organische Chemie und Biochemie) ab Oktober 1998: Chemische und molekularbiologische Werkzeuge zur Untersuchung der Sphingolipid-Biosynthese (Kolter/Sandhoff, Kekulé-Institut für Org. Chemie und Biochemie)
A8:  Oligosaccharid-vermittelte Interaktionen neuraler Zelladhäsionsmoleküle
(B.Schmitz, Institut für Anatomie, Physiologie und Hygiene der Haustiere)

B:  Zellbiologie, Stoffwechsel und Regulation
B1:  Multimerisierung und Degradation von Proteinen im Endoplasmatischen Retikulum auf der Zelloberfläche
(A. Schmitz/Herzog, Zellbiologie)
B2:  Die Funktion des Alzheimer Amyloid Precursor Proteins (APP): Identifikation von sAPP-Bindungsstellen, ihr Vorkommen in Mikrodomänen und ihre Endocytose
(Herzog, Zellbiologie)
B3:  Enzymologie und Molekularbiologie von processing-Glykosidasen
(Bause, Physiologisch-Chemisches Institut)
B4:  Steuerung der Sphingolipid-Biosynthese. Die Rolle von Sphingolipid-Metaboliten bei der zellulären Signaltransduktion
(van Echten-Deckert, Kekulé-Institut für Organische Chemie u. Biochemie)
B5:  Intrazellulärer Transport und Stoffwechsel von Glykosphingolipiden
(Schwarzmann, Kekulé-Institut für Organische Chemie und Biochemie)
B6:  Funktions-Struktur Beziehungen der MHC Klasse II assoziierten invarianten Kette
(Koch, Zoologie)

C:  Molekularbiologie und Pathobiochemie
C1:  Funktion und Struktur cardiovaskulärer Connexinkanäle in der Maus
(Willecke/Genetik)
C3:  Das GM2-Aktivatorprotein, die Funktion der Glykolipide und die molekulare Pathogenese der Glykosphingolipidosen
(Prof. Dr. K. Sandhoff)
C4:  Struktur und Funktion des SAP-Vorläufers und die Topologie des lysosomalen Verdaus)
(Sandhoff, Kekulé-Institut für Org. Chem. u. Biochemie)
C5:  Auswirkung von Mutationen und posttranslationalen Modifikationen des Connexin 31-Proteins auf die interzelluläre Kommunikation und Adhäsion
(Traub/ Genetik)
C6:  Molekularbiologie und Funktion von Gap Junction-Kanälen in Drüsengeweben
(Willecke, Genetik)
C7:  Zelltyp-spezifische Funktionen von Keratinen
(Magin,Zellbiologie)
C8:  Regulation und Funktion des hochaffinen Rezeptors für IgE (Fc epsilon RI) auf humanen antigen-präsentierenden Zellen
(Bieber, Dermatologie)

Z:  Geschäftsführung und zentrale Dienste
SFB-Verwaltung
(Sandhoff/Kruse, Kekulé-Institut für Org. Chem. und Biochemie)
Z3:  Nachwuchsgruppe: Molekularbiologie der Zellkontakt-abhängigen Genexpression
(Obermann, Genetik)

Forschungsprogramm:

Obwohl Glykokonjugate in zellulären Systemen häufig und weitverbreitet sind, ist die Funktion von Kohlenhydraten nur in Einzelfällen bekannt. Sie kann allgemein durch erhöhte Proteasestabilität von Glykoproteinen beschrieben werden oder in veränderten physikochemischen Eigenschaften von kovalent mit Kohlenhydraten verbundenen Molekülen bestehen. Die Gentechnik hat neue Wege aufgezeigt, um die Struktur und Funktion von Glykokonjugaten zu erforschen. So werden in diesem SFB Gene untersucht, die für Zelloberflächenproteine, Kohlenhydrat-modifizierende Enzyme und für Glykolipid-bindende Proteine kodieren. Ebenso werden durch die Einführung von Mutationen und Rekombinationen Gene hergestellt, die für Glykoproteine kodieren, deren Biosynthese und Transportwege untersucht werden. Durch homologe Rekombination gewonnene Tiermodelle mit definierten Ausschaltungen einzelner Gene oder auch Aptamere dienen der Funktionsanalyse interessanter Proteine sowohl am Tier als auch in Zellkulturstudien. Es werden aber auch natürlich synthetisierte Glykokonjugate untersucht und mit biochemischen Methoden charakterisiert. Der Zell-Zellkontakt durch Connexine und durch Adhäsionsmoleküle bildet einen weiteren Schwerpunkt des SFB. Dabei wird die Funktion einzelner Connexine in den GAP-Junctions verschiedener Gewebe an geeigneten knock-out Tieren studiert. Viele der im SFB vertretenen Projekte haben die Bedeutung für die biomedizinische Forschung. So sind die Adhäsion und die Verbindung von Zellen für die Metastasierung und Invasion von Tumorzellen. Bei einigen der untersuchten Gene sind Defekte bekannt, die mit Erbkrankheiten verbunden sind. Metabolite von Schilddrüsenprodukten, deren Vorläufer untersucht werden, sind essentiell für das Zellwachstum und ihre Desregulation kann zu empfindlichen Störungen führen. Infektionen sind weltweit auch heute noch eine der Haupttodesursachen. Daher sind die Grundlagen der Immunabwehr für die Weiterentwicklung von Impfstoffen von besonderem Interesse.

Das Forschungsprogramm gliedert sich in drei Teilbereiche. Im ersten Bereich (A) wird die Struktur, Funktion und Enzymologie von zellulären Proteinen behandelt. Der zweite Bereich befasst sich mit der Regulation des Zellstoffwechsels, ein Thema der Zellbiologie (B). Diese Projekte werden durch den Teilbereich C und die Nachwuchsgruppe Z3 methodisch verbunden, die molekularbiologische Untersuchungen im Bereich der biomedizinischen Forschung zum Gegenstand haben.

Der Projektbereich A umfasst fünf Einzelprojekte, die sich zum einen mit der Struktur und Funktion von Glykokonjugaten, zum anderen mit der Charakterisierung einzelner, an der Biosynthese beteiligter Glykosyltransferasen beschäftigen. Entsprechende Fragen, von deren Beantwortung wir uns Einblicke in Wechselwirkungen zwischen Kohlenhydraten und Proteinen sowie in Mechanismen erhoffen, die das Auftreten von Zelloberflächenstrukturen regulieren, sollen mit Hilfe unterschiedlicher experimenteller Ansätze untersucht werden. Dazu gehören beispielsweise die Hochfeld-Massenspektrometrie und hochauflösende Kemresonanzspektroskopie, aber auch immunologische und enzymatische Techniken Im Projektbereich B stehen zellbiologische Aspekte von Glykokonjugaten in eukaryonten Zellen im Vordergrund, insbesondere deren Biosynthese, zellulärer Transport, Abbau und Funktion. Die Teilprojekte behandeln Membran- und sekretorische Glykoproteine und ihre Domänenstruktur, Glykosphingolipide und die am Prozessieren von Oligosacchariden und Glykoproteinen beteiligten Enzyme. Das methodische Spektrum umfasst biochemische, molekularbiologische und morphologische Methoden. In der Mehrzahl der Teilprojekte ist die Untersuchung der entsprechenden Gene durch deren Ausschaltung unter Verwendung von antisense-Oligonukleotiden in der Zellkultur oder in "knock out" Mäusen vorgesehen. Zu den untersuchten Proteinen gehören beispielsweise Glykosidasen des N-Glykoprotein-Stoffwechsels, das Thyreoglobulin, das Amyloid Precursor Protein, der MHC-Komplex des Immunsystems und die Arylsulfatase A. Ferner sind Biosynthese und Transport von Glykolipiden als sekundäre Genprodukte sowie intrazelluläre Aptamere Gegenstand der Untersuchungen im Projektbereich B. Neben der Erarbeitung der zellbiologischen Grundlagen sind die zu erwartenden Ergebnisse auch von biomedizinischer Bedeutung, weil Grundlagen epithelialer Differenzierung und Morphogenese, der Lipid-Speicherkrankheiten und der Erregerinvasion erarbeitet werden. Hervorzuheben ist die methodische Quervernetzung zwischen den Teilprojekten, die sich bereits in der Vergangenheit außerordentlich gut bewährt hat und einen raschen Transfer moderner Technologien gestattete. Im Projektbereich C werden molekularbiologische Methoden eingesetzt, um Struktur-Funktionsbeziehungen in Proteinen aufzudecken, die für die Untereinheiten von Gap Junction Kanälen, für Aktivatorproteine des Gangliosids GM2- und des Sphingoglykolipid-Abbaus, sowie für einzelne Keratine kodieren. In den Forschungsgebieten wird dabei ein ähnliches Methodenspektrum verwendet, das von der Herstellung und Expression positionsspezifischer Mutanten über Promotoranalysen der entsprechenden Gene, Charakterisierung von differenzierten Kulturzellen bis hin zur Untersuchung gezielter Defektmäuse ("knock-out"Mäuse) reicht. Ein Schwerpunkt dieses Projektbereichs ist die Analyse von Erbkrankheiten wie der Charcot Marie Tooth Krankheit, den GM2-Gangliosidosen und Defizienzen von Sphingolipid-Aktivatorproteinen. Auch Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Allergie im Zusammenhang mit dem IgE-Rezeptor auf menschlichen antigen-präsentierenden Zellen fällt in diesen Projektbereich.

Die kürzlich eingerichtete Nachwuchsgruppe unter Leitung von Dr. Wolfgang Obermann (Projektbereich Z3) befasst sich mit den molekularen Grundlagen der Proteinfaltung.

Projektbereich A: Im ersten Bereich wird die Struktur, Funktion und Enzymologie von zellulären Proteinen behandelt.

Projektbereich B: Der zweite Bereich befaßt sich mit der Regulation des Zellstoffwechsels von Glykokonjugaten, ein Thema der Zellbiologie.

Projektbereich C: Die beiden ersten Projekte werden durch den Teilbereich C und die Nachwuchsgruppe Z3 methodisch verbunden, die molekularbiologische Untersuchungen im Bereich der biomedizinischen Forschung zum Gegenstand haben.

Projektbereich Z: Geschäftsführung und zentrale Dienste


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