Zellphysiologie und Biophysik

Die Arbeitsgruppe unter Leitung von apl. Prof. Dr. A. Ngezahayo forscht auf dem Gebiet der Zell-Zellkommunikation im Zusammenhang mit Krankheitsbildern wie Krebs oder Schlaganfall sowie mit Organentwicklung und Funktion wie Gehirn, Herz, oder Knochen.

Unsere Forschung im Detail

Oligomerizierung der Connexine

Metabolittransporter in der Zellmembran

Connexinkanäle in allgemeiner Zellsignalübertragung

Wechselwirkung zwischen Connexinkanälen und Epithelbarrierefunktion

Zellkulturen in 3D-Systemen

Team

Publikationen

Lehre

Oligomerizierung der Connexine in Connexin-Kanälen

Connexine sind Membranproteine, welche zu einem Hexamer zusammengelagert, einen Kanal in der Zellmembran bilden. Im geöffneten Zustand sind diese Kanäle groß genug um den Austausch von Metaboliten zwischen dem intra- und extrazellulären Raum zu ermöglichen. Die Kanäle von benachbarten Zellen können sich aneinander lagern und Gap Junction Kanäle bilden. Diese ermöglichen den Austausch von Information in Form von Ionen oder Metaboliten wie z.B. sekundären Botenstoffen. Die Connexin-Kanäle, als Halb- oder Gap Junction Kanal, dienen der Synchronisation der Zellfunktionen zu einem einheitlichem Gewebe, z.B. bei der gleichzeitigen Kontraktion von Kardiomyozyten. Genetische Mutationen, die zu einer Veränderung der Interaktion und Halbkanal Andockfläche der Connexine führen, sind mit verschiedenen Krankheiten assoziiert. Die Analyse dieser Mutanten im Vergleich zum Wildtypen erlaubt es, die Bildung von stabilen, funktionellen Zell-Zell Kanälen zu verstehen.

Metabolittransporter in der Zellmembran

Connexin-Kanäle repräsentieren Metabolittransporter zwischen den Zellen. Aber Zellen besitzen noch weitere Metabolittransporter, beispielsweise Ionenkanäle. Diese Transporter findet man in allen Lebewesen. Sie dienen der Aufnahme verschiedener Elemente, indem sie deren Diffusion durch die Zellmembran ermöglichen. In eukaryotischen Zellen sind Transporter an der Entwicklung von Geweben beteiligt und fungieren so als Generatoren von elektrischen oder Ca²⁺-Signalen. Unsere Gruppe verwendet elektrophysiologische, sowie bildgebende Verfahren um zu untersuchen wie diese Transporter auf der molekularen Ebene reguliert werden.

Integration der Connexin-Kanäle in der allgemeinen Zellsignalübertragung: Beteiligung in Gewebepathophysiologie

Für ein funktionierendes Gewebe müssen Connexin-Kanäle in der allgemeinen Signalübertragung involviert sein. In unserer Gruppe analysieren wir die Integration der Connexin-Kanäle in der purinergen Signalgebung. Der purinerge Signalweg besteht aus zwei Typen von Rezeptoren: P1 Rezeptoren, welche Adenosin binden, und P2 Rezeptoren, die Nukleotide wie ATP, ADP und UTP binden. Proteomische Daten zeigen, dass man den purinergen Signalweg und Connexin-Kanäle als eine integrierte, funktionelle Einheit betrachten soll. Diese integrierte, funktionelle Einheit ist essentiell für die Entwicklung und Funktion von Geweben, wie dem vaskulärem System, Gehirn oder Epithelgewebe. Unsere Gruppe ist an der Aufklärung der molekularen Mechanismen, welche die Integration der Connexin-Kanäle im purinergem System von verschiedenen Geweben erlaubt, beteiligt.

Wechselwirkung zwischen Connexin-Kanälen und Epithelbarriere-Funktion

Epithele, z.B. das Lungenepithel, erhalten eine Barriere aufrecht welche den atmosphärischen Raum (luminal) von dem darunter liegenden (abluminal) Zirkulationssystem des Körpers trennt. Um eine Barriere zu bilden, exprimieren Epithelzellen Claudine und Occludine, welche Tight Junctions formen. Dies sind morphologische, dichtungsartige Verschlüsse, die die Epithelzellen um den apikalen Pol herum umrunden. Die Tight Junctions schließen den intrazellulären Raum ab und regulieren dadurch die parazelluläre Diffusion. Sie trennen außerdem den apikalen Pol von der basolateralen, zellulären Region, was den Epithelzellen ermöglicht die Polarität aufrecht zu erhalten. Pathophysiologische Reaktionen im Gewebe wie z.B. eine Entzündung, induzieren lokal die Ausschüttung von Mediatoren, die die Barrierefunktion der Epithelzellen stören. Dies ist ein Hinweis darauf, dass der Mediator dazu führt, dass Informationen im Gewebe verbreitet werden. Connexin-Kanäle spielen hier eine Rolle. Wir entwickeln Methoden um die Interaktion zwischen den Connexin-Kanälen und Tight Junctions zu analysieren.

Gewebekonditionen simulieren: Zellkulturen in 3D-Systemen

Die Arbeit mit Zellkulturen und Expressionssystemen gibt wichtige Informationen. Das ursprüngliche Gewebe aber funktioniert in einem 3D-System und enthält verschiedene Zelltypen. Wir arbeiten an der Entwicklung eines 3D-Zellkultur-Systems, welches uns erlauben soll die Physiologie der Zellen und ihre Interaktion im gewebeähnlichen System zu verfolgen. Zudem wären wir so in der Lage pathologische Ereignisse, wie eine Entzündung oder sogar die Entwicklung einer Pathologie wie die neoplastische Transformation zu stimulieren, um diagnostische oder sogar therapeutische Maßnahmen zu testen. Diese 3D-Systeme werden nicht vollständig in der Lage sein Tierexperimente zu ersetzten, jedoch können sie dabei helfen diese deutlich zu reduzieren.