Modellierung von Signaltransduktion in Säugerzellen am Beispiel der RAS-Signalkaskaden
Generelle Fragen
zur Struktur und Funktion intrazellulärer Signalkaskaden sollen am
Beispiel der RAS-Signalwege theoretisch und experimentell studiert
werden. RAS-Proteine gehören zur Familie der kleinen GTP-bindenden
Proteine, welche als zentrale molekulare Schalter bei
Signaltransduktionsvorgängen in der Kontrolle von
Entwicklungsprozessen, Proliferation und zellulärer Transformation
wirken. Externe Signale werden zunächst durch Rezeptoren auf der
Zelloberfläche aufgenommen. Nach Bindung des Liganden an den Rezeptor
entsteht ein kurzlebiger Multiproteinkomplex, bestehend aus dem
intrazellulären Rezeptoranteil, mehreren Adaptorproteinen und
Nukleotidaustauschern. Dieser Komplex bewirkt Aktivierung, d.h.
GTP-Beladung der membranverankerten RAS-Proteine. Aktive RAS-Proteine
stimulieren ihrerseits über Effektorproteine mehrere zytoplasmatische
Signalketten. Deren Komponenten sind weitere GTP-bindende Proteine und
Kinasen. Am Ende der Signalkette passieren aktivierte Signalkinasen die
Kernmembran, phosphorylieren Transkriptionsfaktoren und steuern damit
die Aktivität spezifischer Zielgene. Insgesamt stellen die
intrazellulären Signalvorgänge ein hochkomplexes System dar, da die
zentralen Schalterproteine mit einer Vielzahl von Effektoren
wechselwirken, die Signalketten verzweigt sind sowie zahlreiche
Rückkopplungen und kombinatorische Effekte auftreten. Die
Wechselwirkung einzelner Signalwege unterhalb von RAS-Proteinen soll
durch Nachweis der aktiven Effektoren und mit Hilfe
signalwegspezifischer RAS-Mutanten und Kinaseinhibitoren untersucht
werden. Für ausgewählte Signalwege wie die RAF/MEK/ERK-Kinasekette wird
analysiert, inwieweit Verstärkung, Schwellwertverhalten und Adaptivität
im Verlauf der Evolution optimiert wurden und wie robust diese
Eigenschaften gegenüber Parameterveränderungen sind. Die RAF/MEK/
ERK-Signalkette ist für die Kontrolle der Proliferation in normalen und
malignen transformierten Zellen besonders wichtig. Für verschiedene
Signalstärken und -dauer werden die Aktivitäten von Modellgenen
(Zielgenen) gemessen, genomweite Expressionsprofile bestimmt und
zellbiologische Parameter wie Proliferation, morphologische
Transformation, ankerunabhängiges Wachstum sowie Apoptose erfasst. Im
Wechselspiel von experimentellen Untersuchungen und dynamischer
Modellierung sollen Primär- und Sekundärregulation sowie Rückkopplungen
identifiziert werden. Insbesondere soll die Wechselwirkung einzelner
Signalmodule durch "cross-talk" quantifiziert werden. Durch die
mathematische Modellierung sollen Prinzipien herauskristallisiert
werden, nach denen multiple Eingangssignale verstärkt, kombinatorisch
verarbeitet und zelluläre Effekte wie Proliferation,
neoplastische/maligne Transformation und Blockade der Apoptose auf
robuste Weise induziert werden.
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