Arbeitsgruppe Gerhard

Prof. Dr. Ralf Gerhard, Copyright: Tom Figiel / Toxikologie / MHH

Leiter der Arbeitsgruppe:

Prof. Dr. rer. nat. Ralf Gerhard

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Gebäude J06, Ebene 03, Raum 2012

 

Mitglieder der Arbeitsgruppe:

Daniel Henkel (M.Sc. Biomedizin)
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Carmen Schneider (M.Sc. Biologie)
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Marven Scheele (B.Sc.)
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Helma Tatge
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Forschung

Domänen-Funktionsanalyse clostridialer Glucosyltransferasen

Unsere Arbeitsgruppe erforscht vorrangig die großen clostridialen Glucosyltransferasen, die als Hauptpathogenitätsfaktoren von klinisch bedeutsamen Clostridien gelten. Dies sind die Toxine A und B, die die krankheitsbezogenen Symptome einer C. difficile-assoziierten Diarrhoe hervorrufen, aber auch das Letale und das Hämorrhagische Toxin von C. sordellii, welche Nekrosen und Ödeme beim Wundbrand/Gangrän verursachen. Alle clostridialen Glucosyltransferasen modifizieren intrazelluläre Signalproteine der Ras- und Rho-Proteine, die zur großen Gruppe der niedermolekularen monomeren GTP-bindenden Proteine gehören. Um die Substratproteine im Zytosol der Zielzelle zu erreichen, besitzen die Toxine ausgefeilte Mechanismen, ihre pathogene Domäne in das Zytosol einzuschleusen. Dies umfasst die teilweise redundante Bindung an unterschiedliche Rezeptoren, die pH-abhängige Translokation über die Endosomenmembran und die stimulierbare autoproteolytische Abspaltung der enzymatisch aktiven Domäne. Diese Aufgaben werden von mindestens vier strukturell unterscheidbaren Domänen in den Toxinen wahrgenommen.

Durch gezielte gentechnische Veränderungen, wie dem Einbringen von Punktmutationen, dem Austausch von Domänen homologer Toxine oder die Herstellung von Toxinchimären, manipulieren wir die spezifischen Funktionen der Toxine. Die Veränderung der Rezeptorspezifität, der Autoproteolyse oder auch der Substrat-modifizierenden Eigenschaften hilft dabei, die Bedeutung der funktionellen Domänen für die pathogene Wirkung der Toxine zu verstehen. Zudem kann daraus abgeleitet werden, warum sich verschiedene Toxinotypen aus klinischen Isolaten in ihrer pathogenen Wirkung hinsichtlich dem Entzündungsgeschehen und der Ausprägung der Erkrankungen unterscheiden.

Unsere derzeitigen drittmittelgeförderten Projekte fokussieren auf die Interaktion der Rezeptorbindedomänen mit den spezifischen Zelloberflächenrezeptoren sowie auf die intrazelluläre Lokalisation und Verweildauer der pathogenen Glucosyltransferasedomäne. Von besonderem Interesse sind dabei die Wirkungen der Toxine, die sie unabhängig von der Glucosylierung der Rho- und Ras-GTPasen entfalten. Dabei steht die Endosomen-assoziierte Wirkung auf die Zellviabilität im Vordergrund.

Nicht nur die großen clostridialen Glucosyltransferasen verfügen über einen spezifischen Aufnahmemechanismus. Alle intrazellulär wirksamen Proteintoxine weisen eine spezialisierte Rezeptorbinde- und Translokationsdomäne auf, die wie bei den binären Toxinen auch als eigenständiges Protein vorhanden sein kann. Die Erkenntnisse aus unserer Forschung können genutzt werden, um aus den Toxinen zellspezifische Werkzeuge zu schaffen, die in der Lage sind, Peptide oder Proteine in die Zellen zu transportieren. So ist unsere Arbeitsgruppe auch daran interessiert, sowohl die Glucosyltransferasen als auch das binäre Toxin CDT von C. difficile als molekulares Werkzeug einzusetzen.