Funktionelle Neuroproteomik und Translationale Biomarker in neurodegenerativen Erkrankungen
Priv.-Doz. Dr. Christian Johannes Gloeckner
Gruppenleiter
Otfried-Müller-Str. 23
72076 Tübingen

johannes.gloeckner@dzne.de
 +49 7071 9254-400

Forschungsschwerpunkt

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Analyse funktioneller Proteinnetzwerke von Proteinen, die mit neurodegenerativen Erkrankungen, speziell Morbus Parkinson, assoziiert sind. Im Sinne eines ‚Guilt-by-Association‘ (Schuld durch Zugehörigkeit)-Prinzips werden mutationsspezifische Veränderungen funktioneller Proteinnetzwerke bestimmt, um die, dem erblich bedingten Morbus Parkinson zu Grunde liegenden, molekularen Pathomechanismen aufzuklären. Dabei wird eine affinitätsbasierte Aufreinigung mit verschiedenen Methoden der quantitativen Massenspektrometrie kombiniert, um Protein-Protein-Interaktionsnetzwerke krankheitsassoziierter Proteine zu identifizieren. Zusätzlich werden komplementäre Methoden zur Identifizierung funktionaler Proteininteraktionen angewandt, z. B. BioID, das auf dem Proximity Labelling Prinzip beruht.

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    Die Massenspektrometrie wird zusätzlich genutzt, um mutationsspezifische Muster posttranslationaler Modifikationen (z. B. Phosphorylierungen, Acetylierungen oder Ubiquitinylierungen) zu identifizieren.

    In Zusammenarbeit mit anderen Arbeitsgruppen des multidisziplinären DZNE-Umfeldes werden die gefundenen Netzwerke nachfolgend in geeigneten Zellkultursystemen, wie patientenderivierten induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS Zellen), funktionell validiert.

    Die Erkenntnisse aus der systematischen Analyse von mutationsspezifischen Veränderungen von funktionellen Proteinnetzwerken und Signaturen posttranslationaler Modifikationen werden dazu genutzt, hypothesengetrieben Biomarker für Diagnostik und Wirkstofffindung zu identifizieren.

    Im Zentrum der Arbeiten steht dabei die systematische Erforschung der Leucine-rich Repeat Kinase 2 (LRRK2), einer Proteinkinase, deren pathogene Mutationen den größten Anteil an erblich bedingtem Morbus Parkinson mit bekannter genetischer Ursache darstellen. Darüber hinaus ist LRRK2 ein vielversprechendes Zielmolekül für eine medikamentöse Therapie, da pathogene Proteinvarianten eine erhöhte Kinaseaktivität bei gleichzeitig verringerter GTPase Aktivität zeigen.

    Um die molekularen Mechanismen der intramolekularen Regulation aufzuklären, sowie eine zielgerichtetes Design von Wirkstoffen zu ermöglichen, sind Kenntnisse der Proteinstruktur von zentraler Bedeutung. Das weitverbreitete und auflösungsstarke Verfahren der Röntgenstrukturanalyse lässt sich allerdings auf LRRK2 nur schwer anwenden, da große und flexible Proteine kaum zu kristallisieren sind. Um dennoch eine Vorstellung der räumlichen Struktur von LRRK2 zu bekommen, haben wir einen computergestützten Modellierungsansatz gewählt, in den verschiedene Experimentelle Daten einflossen.  Das so erhaltene Strukturmodell von dimerem LRRK2 zeigt eine kompakte Faltung mit Interaktionen von zum Teil weit auseinanderliegenden Proteindomänen welche Teil eines intramolekularen Autoregulationsmechanisms von LRRK2 sein könnten (Guaitoli et al., 2016). Aktuelle Arbeiten unserer Gruppe ziehen nun darauf ab, über eine Verfeinerung des Modells und eingehender biochemischer Charakterisierung die zugrundeliegenden intramolekularen Regulationsmechanismen zu identifizieren.

    Förderung:

    • Nachwuchsgruppenförderung im Rahmen des iMED Programms der Helmholtz Gemeinschaft
    • From structure and function to allosteric targeting of LRRK2-mediated PD; Michael J Fox Foundation LRRK2 Biology (2018)

    Schlüsselpublikationen

    Guaitoli G, Raimondi F, Gilsbach BK, Gomez-Llorente Y, Deyaert E, Renzi F, Li X, Schaffner A, Jagtap PK, Boldt K, von Zweydorf F, Gotthardt K, Lorimer DD, Yue Z, Burgin A, Janjic N, Sattler M, Versees W, Ueffing M, Ubarretxena-Belandia I, Kortholt A, Gloeckner CJ. Structural model of the dimeric Parkinson's protein LRRK2 reveals a compact architecture involving distant interdomain contacts. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2016 Jan 01; 113:E4357-66. doi: 10.1073/pnas.1523708113
    Muda K, Bertinetti D, Gesellchen F, Hermann JS, von Zweydorf F, Geerlof A, Jacob A, Ueffing M, Gloeckner CJ, Herberg FW. Parkinson-related LRRK2 mutation R1441C/G/H impairs PKA phosphorylation of LRRK2 and disrupts its interaction with 14-3-3. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2014 Jan 01; 111:E34-43. doi: 10.1073/pnas.1312701111
    Piccoli G, Onofri F, Cirnaru MD, Kaiser CJ, Jagtap P, Kastenmuller A, Pischedda F, Marte A, von Zweydorf F, Vogt A, Giesert F, Pan L, Antonucci F, Kiel C, Zhang M, Weinkauf S, Sattler M, Sala C, Matteoli M, Ueffing M, Gloeckner CJ. Leucine-rich repeat kinase 2 binds to neuronal vesicles through protein interactions mediated by its C-terminal WD40 domain. Mol Cell Biol. 2004 Jan 01; 34:2147-61. doi: 10.1128/MCB.00914-13
    Gloeckner CJ, Boldt K, von Zweydorf F, Helm S, Wiesent L, Sarioglu H, Ueffing M. Phosphopeptide analysis reveals two discrete clusters of phosphorylation in the N-terminus and the Roc domain of the Parkinson-disease associated protein kinase LRRK2. Journal of proteome research. 2010 Jan 01; 9:1738-45. doi: 10.1021/pr9008578
    Gloeckner CJ, Kinkl N, Schumacher A, Braun RJ, O'Neill E, Meitinger T, Kolch W, Prokisch H, Ueffing M. The Parkinson disease causing LRRK2 mutation I2020T is associated with increased kinase activity. Human molecular genetics. 2006 Jan 01; 15:223-32. doi: 10.1093/hmg/ddi439

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