Forschungsinteresse

Abteilungsleiter
Prof. Dr. Klemens Rottner
Abteilung Aktin Dynamik und Bewegungsprozesse
 

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Curriculum 

• Studium und Diplomarbeit:  Paris-Lodron-Universität Salzburg/Österreich (Biologie/Zoologie)
• Studium und Promotion:  Institut für Molekularbiologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und Paris-Lodron-Universität Salzburg (Zellbiologie/Immunologie)Forschungsaufenthalt/Postdoc:  EMBO-Stipendiat, Gesellschaft für Biotechnologische Forschung (GBF, jetzt Helmholtz Zentrum für Infektionsforschung), Braunschweig
• Forschungsgruppenleiter:  Helmholtz Zentrum für Infektionsforschung, Braunschweig
• seit 2010 - Professor, Institut für Genetik, Rhein.-Friedrich Wilhelms Universität, Bonn

Forschungsinteressen

• Molekulare Mechanismen der Aktinfilament-Nukleation
• Der Auf-und Umbau von Aktinfilamenten in Lamellipodien und Filopodien
• Regulation des Aktin-Zytoskeletts und der Zellbewegung durch Rho-GTPasen
• Wechselspiel zwischen Aktindynamik, Signaltransduktion und Endozytose
• Die Rolle des Aktin-Zytoskeletts bei Pathogen-Wirtszellinteraktionsprozessen

Experimentelle Ansätze

• Videomikroskopie und Fluoreszenztechniken mit Weitfeld-, Konfokal- oder TIRF-Optik
• Funktionelle Interferenz mit Schlüsselfaktoren mittels Geninaktivierung oder RNAi
• Analyse des Aktin-Zytoskelett-Umbaus mittels Photomanipulation und Mikroinjektion
• Interaktionsstudien sowie Bestimmung subzellulärer Lokalisationen oder in vivo - Aktivitäten mittels aktueller molekularbiologischer und zellbiologischer Methoden

Zusammenfassung der Forschungsprojekte

Unser Team beschäftigt sich vorwiegend mit den molekularen Mechanismen, die den Auf- und Umbau verschiedener zellulärer Aktinstrukturen steuern. Das Aktin-Zytoskelett bildet unterschiedlichste Strukturen mit unzähligen Funktionen aus. Schon in einfachen Gewebekulturzellen reichen diese von kontraktilen Bündeln aus Aktinfilamenten, die am Substrat oder assoziierten Zellen ziehen, bis zu Zellausläufern wie Lamellipodien und Filopodien oder auch Invadopodien von metastasierenden Krebszellen. Wir fokussierten uns in der Vergangenheit hauptsächlich darauf, zu verstehen, wie genau Aktinfilamente an der Plasmamembran ausgebildet werden, stimuliert entweder durch Wachstumsfaktoren oder durch bestimmte bakterielle Pathogene.

Der Arp2/3-Komplex ist der derzeit bekannteste und am besten charakterisierte Nukleationsfaktor von Aktinfilamenten. Er besteht aus sieben Untereinheiten, von denen zwei eine sehr hohe Homologie zu Aktin aufweisen (Arp2 und 3), und daher zusammen mit einem Aktin Monomer einen Nukleationskeim ausbilden können. Der Arp2/3-Komplex ist in isolierter Form jedoch weitgehend inaktiv, und muss daher von zusätzlichen Faktoren aktiviert werden. Dies wird durch eine Familie von Proteinen bewerkstelligt, deren Namensgeber in einer seltenen Immunschwäche mutiert ist, dem Wiskott-Aldrich Syndrom. Das zugehörige im hämatopoetischen System exprimierte Genprodukt heißt daher WAS Protein, oder kurz WASP. Lange Zeit ging man davon aus, dass die Familie im Säuger aus fünf Mitgliedern besteht, WASP, das neuronal angereicherte und ubiquitäre N-WASP sowie drei WAVE-Isoformen. Kürzlich kamen jedoch drei weitere, noch rudimentär charakterisierte Mitglieder dazu: WASH, WHAMM und JMY.

Gemeinsam mit unseren Kooperationspartnern Giorgio Scita (Mailand) und Theresia Stradal (Münster) konnten wir zeigen, dass N-WASP und WAVE-Proteine unterschiedliche Lokalisationen und Funktionen in Zellen haben. Während WAVE-Proteine an der lamellipodialen Spitze den Arp2/3-Komplex aktivieren, stimuliert N-WASP Aktinpolymerisationsprozesse bei der Endozytose und an intrazellulären Vesikeln. Zudem haben andere Arbeitsgruppen gezeigt, dass N-WASP oder WASP eine essentielle Funktion beim Aufbau von speziellen Adhäsionsstrukturen zukommt, den Invadopodien sowie den in hämatopoetischen Zellen vorkommenden Podosomen.
All diese Aktivatoren des Arp2/3-Komplexes sind zudem direkte oder indirekte Effektoren von kleinen GTPasen der Rho (Ras homology) – Familie. Cdc42 und Rac1 beispielsweise stimulieren die Ausbildung von Filopodien (Cdc42) und Lamellipodien (Rac1). Dennoch konnten wir zeigen, dass N-WASP - obgleich direkter Bindungspartner von Cdc42 - keine Rolle bei der Ausbildung von Filopodien spielt. Zudem ist auch der Arp2/3-Komplex nicht in Filopodienbildung involviert, und reichert sich auch nicht in diesen an. Die physiologische Relevanz der Cdc42/N-WASP - Interaktion bleibt daher noch ein Geheimnis.

Eine weitere Gruppe von Aktivatoren des Arp2/3-Komplexes (Typ II) umfasst im Säuger das ubiquitäre Src-Kinase-Substrat Cortactin und das hämatopoetische HS1. Diese Proteine unterscheiden sich von WASP- und WAVE-Proteinen insofern, als dass sie neben dem Arp2/3-Komplex Aktinfilamente anstelle von Aktinmonomeren binden. Der genaue Mechanismus der potentiellen Arp2/3-Aktivierung ist daher unklar. Cortactin und HS1 ko-lokalisieren häufig mit dem Arp2/3-Komplex an hochdynamischen Aktinstrukturen. Wir haben kürzlich in unserer Gruppe eine konditionale Mausmutante von Cortactin hergestellt, die uns ermöglichen wird, die genaue Funktion dieses Proteins in Zellen und spezifischen Geweben zu untersuchen. Wir konnten bereits zeigen, dass Cortactin nicht für die Ausbildung von Lamellipodien essentiell ist, und dass Migrationsdefekte zurückzuführen sind auf eine beinträchtige Signaltransduktion in diesen Zellen anstelle einer fehlenden Arp2/3-Aktivierung in Lamellipodien.

Aktuelle Projekte beschäftigen sich beispielsweise damit, die Funktion von Cortactin und anderer Aktin-Bindeproteine mechanistisch und im Kontext verschiedener Zelltypen und Bedingungen zu verstehen. Haben die durch das Fehlen von Cortactin verursachten Defekte überhaupt mit dessen fehlender Aktin- oder Arp2/3-Bindung zu tun? Weiterhin untersuchen wir die relative Rolle von Nukleation, Elongation oder auch Terminierung von Aktinfilamenten in verschiedenen Aktinstrukturen, wie beispielsweise dem Lamellipodium. Zudem haben wir begonnen, systematisch die Rolle von Forminen, einer weiteren Klasse von Aktinnukleatoren bzw. Elongatoren in der Ausbildung von Lamellipodien und Filopodien zu analysieren. Und wir versuchen, neuartige experimentelle Ansätze zu entwickeln, die uns erlauben, verschiedene Nukleationsmechanismen im komplexen Kontext des Zytoplasmas zu analysieren und zu vergleichen.

Unsere Arbeiten profitieren von zahlreichen, sehr fruchtbaren nationalen und internationalen Kooperationen, wie beispielsweise mit den Labors von Jan Faix (Hannover), Cord Brakebusch (Kopenhagen) und J. Victor Small (Wien).

Unsere Forschung wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt, und zwar im Zuge von Verbundprojekten wie der Forschergruppe FOR629 („Molecular Mechanisms of Cell Motility“) und dem Schwerpunktprogramm 1464 („Principles and Evolution of Actin-nucleator Complexes“).