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Charakterisierung von Struktur und Funktionsmechanismus des Organo-Anionen-Transporters 2B1 (OATP2B1) mittels Förster-Resonanzenergietransfers (2018)
Hagen, Paul
Der Transport von Substanzen innerhalb eines Organismus stellt eine wesentliche Vorausset-zung zur Aufrechterhaltung von Stoffwechselprozessen dar. Neben endogenen Stoffen unter-liegen auch die meisten exogenen Substanzen zahlreichen TransportvorgĂ€ngen, darunter auch die meisten Arzneistoffe. Deren Pharmakokinetik wird oft entscheidend von ihrer Affini-tĂ€t zu bestimmten Transportproteinen beeinflusst. Von diesen prĂ€sentiert neben den ABC-Transportern die Familie der SLC-Transporter das grĂ¶ĂŸte Spektrum einzelner Vertreter. Auf-grund ihrer Beteiligung sowohl an physiologischen als auch pharmakokinetischen Prozessen erweisen sich darunter die OATPs als besonders interessant. Obwohl deren Bedeutung am Stofftransport durch umfassende Charakterisierung ihrer Expression und Funktion unbestrit-ten ist, erweist sich ihr zugrundeliegender Transportmechanismus noch immer als nicht voll-stĂ€ndig verstanden. Jedoch bieten Untersuchungen an verwandten Transportern, wie der bak-teriellen Lactose-Permease, Erkenntnisse, die sich möglicherweise auch auf die OATPs ĂŒber-tragen lassen. FĂŒr diese wurde ein Rocker-switch-Mechanismus vorausgesagt, bei dem die Bindung des Substrats zu einer KonformationsĂ€nderung fĂŒhrt. Hierdurch wird das Substrat entlang einer zentralen Pore durch das Transportprotein befördert. Eine Möglichkeit derartige KonformationsĂ€nderungen, die mit einer Verschiebung der AbstĂ€nde innerhalb des MolekĂŒls einhergehen, zu untersuchen, stellt der Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) dar. Dieser beschreibt die strahlungslose EnergieĂŒbertragung zwischen zwei Chromophoren, deren Effizi-enz mit dem Abstand der Chromophore zu- bzw. abnimmt. Erstes Ziel dieser Arbeit war es OATP2B1, als einen Vertreter der OATPs, so zu modifizieren, dass er fĂŒr die Untersuchung mittels FRET zugĂ€nglich werden wĂŒrde. Dies erfolgte durch die Herstellung von OATP2B1-Fusionsproteinen, bei denen der Transporter mit den FRET-geeig-neten Fluorophoren ECFP/EYFP bzw. ECFP/FlAsH ausgestattet wurde. Die Integration des ECFP erfolgte dabei jeweils am C-Terminus, wĂ€hrend EYFP und FlAsH jeweils in die intrazellulĂ€ren Schleifen des Proteins eingebracht wurden. Im Weiteren galt es, diese Fusionsproteine hin-sichtlich ihrer Funktion (Transport radioaktiv-markierter Substrate) und Lokalisation in der Zelle (Mikroskopie) zu charakterisieren. Hierbei wurde gezeigt, dass lediglich die Modifikation mit FlAsH in der dritten intrazellulĂ€ren Schleife zu keiner Funktionsbeeinflussung fĂŒhrte und dieses Fusionsprotein auch als einziges eine membranĂ€re Lokalisation aufwies. Der Schwerpunkt lag jedoch auf der Messung der FRET-Effizienzen der Fusionsproteine mithilfe konfoka-ler Laser-Scanning-Mikroskopie. Dabei konnte zunĂ€chst bei allen Fusionsproteinen ein FRET-Signal erfasst werden, das in AbhĂ€ngigkeit der Position des FRET-Partners in der intrazellulĂ€-ren Schleife eine unterschiedliche Effizienz aufwies. Die FRET-basierte Berechnung der Ab-stĂ€nde innerhalb des MolekĂŒls brachte Ergebnisse hervor, die vergleichbar mit denen waren, die anhand von Kristallstrukturanalysen verwandter Transporter erhoben wurden. Teilweise Übereinstimmungen ergaben sich daneben auch beim Vergleich der berechneten AbstĂ€nde mit denen computergestĂŒtzter Modelle. Die Ergebnisse zeigen damit das Potenzial dieser Me-thode, die Struktur des OATP2B1 aufzuklĂ€ren. Außerdem stĂŒtzen sie zum Teil die prognosti-zierte Strukturverwandtschaft der OATPs zu der strukturell besser charakterisierten Lactose-Permease. Letztes Ziel war es zu untersuchen, ob sich die gemessenen FRET-Effizienzen durch Zugabe des OATP2B1-Substrats E1S beeinflussen ließen. Es konnte fĂŒr fast alle Fusionsproteine eine Beeinflussung festgestellt werden, wobei die FRET-Effizienzen in AbhĂ€ngigkeit von der Position des FRET-Partners sowohl ab- als auch zunahmen. Daneben zeigte auch die Zugabe des OATP2B1-Inhibitors Rifampicin eine verschieden ausgeprĂ€gte Beeinflussung. Die Zugabe des Nicht-OATP2B1-Substrats 17ÎČ-Estradiol-3-glucuronid fĂŒhrte zu keiner Beeinflussung. Die Ergebnisse zeigen damit eine substanzspezifische Beeinflussung des Fusionsproteins. Die be-rechneten Änderungen des Abstandes waren vergleichbar mit den aus Kristallstrukturanaly-sen gewonnenen AbstĂ€nden der Lactose-Permease. Es konnten hierdurch erste Hinweise ge-liefert werden, dass der dem OATP2B1 zugrundeliegende Transportmechanismus einem Ă€hn-lichen Prinzip folgt, wie es fĂŒr den Rocker-Switch beschrieben wurde. Die Bindung und der Transport des Substrats an das OATP2B1 fĂŒhren zu einer AbstandsĂ€nderung innerhalb des MolekĂŒls, die sich am ehesten ĂŒber eine KonformationsĂ€nderung erklĂ€ren ließe. Diese Arbeit kann insgesamt erste Grundlagen zur weiteren Charakterisierung der Struktur und des Transportmechanismus der OATPs liefern. Sie zeigt, dass die Herstellung eines funk-tionsfĂ€higen FRET-Fusionsproteins möglich ist und dass deren Untersuchung nachvollziehbare Ergebnisse liefern kann. Außerdem bietet sie einen Ansatz, FRET-basierte Screening-Verfah-ren fĂŒr Transportersubstrate zu etablieren. Inwieweit diese praktisch umzusetzen sind, muss jedoch durch aufbauende Arbeiten geklĂ€rt werden.
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