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R E S E A R C H R E P O R T 2 015 / 2 016

S C I E N T I F I CA D V I S O R Y B O A R D

Prof. Dr. Karl-Heinz AltmannInstitut für Pharmazeutische Wissenschaften, ETH Zürich (seit 01 / 2012)

Prof. Dr. Nils Brose (Vorsitzender)Max-Planck-Institut für Experimentelle Medizin, Göttingen(seit 01 / 2012)

Prof. Dr. Ulrike EggertRandall Division of Cell and Molecular Biophysics, King´s College London (seit 01 / 2013)

Dr. Matthias GottwaldBayer Pharma AG, Berlin (seit 01 / 2016)

Prof. Dr. Thomas GudermannWalter-Straub-Institut für Pharmakologie und Toxikologie, Ludwig-Maximilians-Universität München (seit 01 / 2013)

Prof. Dr. Eckart Gundelfinger Leibniz-Institut für Neurobiologie, Magdeburg (seit 01 / 2013)

Prof. Dr. Gerhard Klebe Institut für Pharmazeutische Chemie, Universität Marburg (seit 01 / 2009)

Prof. Dr. Beat Meier Laboratorium für Physikalische Chemie, ETH Zürich (seit 01 / 2013)

Prof. Dr. Stefan Offermanns Max-Planck-Institut für Herz- und Lungenforschung, Bad Nauheim (seit 01 / 2016)

Prof. Dr. Petra Schwille Max-Planck-Institut für Biochemie, Martinsried (seit 01 / 2012)

Prof. Dr. Rebecca Wade(Stellvertretende Vorsitzende)Heidelberg Institute for Theoretical Studies, HITS gGmbH (seit 01 / 2013)

Stichtag 31.12.2016

RESEARCH REPORT 2015 / 2016

2 RESEARCH REPORT FORSCHUNGSBERICHT 2015 / 2016

C O N T E N T SI N H A LT

Interview with Director Dorothea Fiedler What's new at the FMP? Was ist neu am FMP? 4

The cause of muscle weakness reveals the organisational principle in cells Ursache von vererbter Muskelschwäche aufgeklärt 8

Milestone for Parkinson's research: The amyloid protein α-synuclein is visualised in the cell for the first timeMeilenstein für die Parkinson-Forschung: Amyloid-Protein α-synuclein erstmals in Zelle sichtbar gemacht 9

Double mechanism confirmed: How inositol pyrophosphates alter proteinsDoppelter Mechanismus bestätigt: Wie Inositol-Pyrophosphate Proteine verändern 10

Interview with Thomas J. Jentsch"We've pushed the door wide open to novel biomedical insights"„Wir haben die Tür für neue biomedizinische Erkenntnisse aufgestoßen“ 11

P R E FA C EV O R W O R T

R E S E A R C H H I G H L I G H T SA K T U E L L E S A U S D E R F O R S C H U N G

2

3CONTENTS INHALT

Section Molecular Physiology and Cell BiologyBereich Molekulare Physiologie und Zellbiologie 14

Physiology and Pathology of Ion Transport Thomas J. Jentsch 20Molecular Pharmacology and Cell Biology Volker Haucke 24Protein Trafficking Ralf Schülein 28Molecular Cell Physiology Ingolf E. Blasig 31Molecular Neuroscience and Biophysics Andrew J.R. Plested 34Membrane Traffic and Cell Motility Tanja Maritzen 37Proteostasis in Aging and Disease Janine Kirstein 40Behavioural Neurodynamics Tatiana Korotkova / Alexey Ponomarenko 43Molecular and Theoretical Neuroscience Alexander Matthias Walter 46

Cellular Imaging Burkhard Wiesner / Dmytro Puchkov 49Animal Facility Natali Wisbrun 52

Section Structural BiologyBereich Strukturbiologie 54

Molecular Biophysics Adam Lange 60NMR-Supported Structural Biology Hartmut Oschkinat 64Solution NMR Peter Schmieder 68Computational Chemistry / Drug Design Ronald Kühne 71Structural Bioinformatics and Protein Design Gerd Krause 74In-Cell NMR Philipp Selenko 77Molecular Imaging Leif Schröder 79

NMR Hartmut Oschkinat / Peter Schmieder 82

Section Chemical BiologyBereich Chemische Biologie 86

Chemical Biology II Christian P. R. Hackenberger 92Chemical Biology I Dorothea Fiedler 96Peptide-Lipid Interaction / Peptide Transport Margitta Dathe 100Mass Spectrometry Eberhard Krause 103Medicinal Chemistry Marc Nazaré 106

Screening Unit Jens Peter von Kries 109Peptide Synthesis Rudolf Volkmer 112

All Research Groups 116 Map Campus Berlin Buch 118Administrative and Technical Services 120 Imprint

R E S E A R C H G R O U P SF O R S C H U N G S G R U P P E N

A P P E N D I XA N H A N G

3


Dorothea Fiedler has been director at the FMP since July 2015. In an interview, she speaks about her move from the USA to Germany, the focus of her research and about current developments at the FMP.

Professor Fiedler, you were a distinguished scientist in the USA, latterly at Princeton University, and have received numerous awards. What motivated your move to Berlin-Buch?There were several reasons. The most important one was undoubtedly that the FMP is an excellent institute, where interdisciplinary research is conducted at the interface of biology and chemistry. To this extent, the science at the institute was a perfect match. In addition, I can collaborate with outstanding people here, both internally and exter-nally. And then the FMP offers exceptional research conditions. All of this was simply too tempting for me to turn down the offer of a W3S professorship linked to the post of director, although I was very happy in the USA.

Together with Professor Volker Haucke you form a dual lead-ership at the FMP. How do you divide up this important task? There was a clear agreement that I would officially take over the management after 18 months. That is now the case as of 1 January, but we continue to complete many tasks together and always consult each other on important decisions.

You are responsible for 300 employees. Is there any time left to do your own research in the laboratory?Unfortunately, it has been a while since I ran experiments in the laboratory. But at this point, my co-workers can carry out the work better than me. But naturally I still work closely with my PhD students and postdocs. Research is and will certainly remain the part of my work that I enjoy the most.

What does a professor of chemical biology conduct research on? In many areas of cell biology we have now arrived at a point where we

are trying to decode cellular processes at the molecular level. For me as a chemist that's really exciting. One focus of our work are the so-called inositol pyrophosphates. These molecules are messenger substances in the cell that, for example, play an important role in disorders of fat meta- bolism and insulin secretion, but also have an influence on cell migration, specifically metastasis. In effect we are trying to understand the language of chemistry and thus hope to lay the foundations for new therapies.

Is it the promise of new therapies that motivates you to conduct basic research? The desire to improve the health of humankind is fundamental to all of us. Admittedly, most of the groups at the FMP are not developing therapies in an actual sense, but it is the basic research conducted at the Institute that paves the way. This can be seen, for example, in the fact that two spin-offs from the Hackenberger and Kühne groups are in preparation.

One-third of the research groups at the FMP are junior groups. What's new here?A great deal. In the field of molecular physiology and cell biology, there is a new liaison group, “Neurosciences”, the Emmy Noether Junior Group led by Alexander Walter. In addition, our junior group leader Andrew Plested has been offered a Heisenberg professorship at the Humboldt University. His group will remain at the FMP as a guest group for an additional five years. In contrast, we will have to say farewell to Philipp Selenko this year. He has successfully led a junior group in structural biology for several years and has now accepted an attractive offer from the Weizmann Institute of Science in Israel. It is all the more pleasing that a new junior group at the interface of NMR and Cryo-EM is to be established in this important field of research, this being within the context of the planned “Cryo-EM infrastructure”, in which the Berlin Universities and the MDC will also be involved. Our doctoral students are very successful as well, for instance Jean-Philippe Demers from the department of Adam Lange received the Raymond Andrew Prize and the Otto Hahn Medal in 2015, a really remarkable accomplishment.

W A S I S T N E U A M F M P ?

Prof. Dr. Dorothea Fiedler

Director at Leibniz-Forschungsinstitut

für Molekulare Pharmakologie

W H AT ´ S N E W AT T H E

F M P ?

5WHAT'S NEW AT THE FMP? WAS IST NEU AM FMP?

Our junior group leader Leif Schröder established a co- operation with the California Institute of Technology in Pasadena to develop ultra-sensitive magnetic resonance imaging, which allows to detect tumours, for example. At the same time, last year, he secured a Reinhart Koselleck-Project of the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) for a similar undertaking. The funding amounts to 1.525 million euros and was the first ever Koselleck Project for the Leibniz Association. I find all of this quite outstanding.

At the beginning of this year, there was then a second Reinhart Koselleck-Project for the FMP and a small sensation for the Institute?That's right, just a few months later, Volker Haucke impressed the DFG with his application for research into neuronal communication. We are very proud of that. Both awards show the high level of research at the FMP. As early as 2015, Philipp Selenko and Andrew Plested were awarded the prestigious “Consolidator Grant” of the European Research Council (ERC) for their research work. Over the past five years, Thomas J. Jentsch successfully applied for these most prominent and coveted programmes offered by the European Commission, for his research on ion channels he received an Advanced Grant to the amount of 2.5 million euros from the European Research Council (ERC) for the first time in 2012, followed in March this year by a second ERC Advanced Grant. A great success!

And what about your specialist field, chemical biology? Here, too, there are plans to establish a junior group, although I'm afraid I can't reveal any details at this stage. However, we are very pleased that Dr. Fan Liu will arrive during the second half of this year to oversee the Institute’s Mass Spectrometry Facility. She will be able to build on the excellent infrastructure provided by Eberhard Krause’s group, and on top of that establish her own research group with a number of exciting and current projects. We are thrilled about her arrival.

The FMP will celebrate it's 25th birthday this year. Where do you see the Institute in 25 years' time?Despite a consistent mission, the FMP still remains in a certain state of upheaval. In the next couple of years, several colleagues will be retiring, some of whom already worked at the predecessor institute in the “Institute of Drug Research, Academy of Sciences of the GDR”. It's a shame, but that's the way things go.

I think, and I can speak for the past and for the future, that the FMP is an institute that places special value on modern methods and technology. With this strategy, and of course driven by our excellent scientists, we will in the long run secure pioneering results that will be of benefit to the scientific community and ultimately to society. What I would like to see is more international visibility. The FMP is very well connected throughout Germany and also internationally. Nevertheless, the Institute, like the Leibniz Association, is not yet as well known internationally as other German research organisations. We're working on that.

Dorothea Fiedler ist seit Juli 2015 Direktorin am FMP. Im Interview spricht sie über ihren Wechsel von den USA nach Deutschland, ihre Forschungsschwerpunkte und über aktuelle Entwicklungen am FMP.

Frau Professor Fiedler, Sie waren in den USA, zuletzt an der Universität Princeton, eine angesehene Wissenschaftlerin und haben etliche Auszeichnungen erhalten. Was hat Sie nach Berlin-Buch verschlagen?Es waren mehrere Gründe. Das Wichtigste war sicher, dass das FMP ein exzellentes Institut ist, wo interdisziplinär an der Schnittstelle von Biologie und Chemie geforscht wird. Insofern hat es inhaltlich perfekt gepasst. Außerdem kann ich hier mit hervor-ragenden Leuten zusammenarbeiten, intern wie extern. Und dann verfügt das FMP über ausgezeichnete Forschungsbedingungen. All das war doch zu reizvoll, um den Ruf auf eine W3S-Professur verbunden mit dem Direktorenposten auszuschlagen, obwohl ich mich in den USA sehr wohlgefühlt habe.

Zusammen mit Professor Volker Haucke bilden Sie eine Doppel- spitze am FMP. Wie teilen Sie sich diese verantwortungsvolle Aufgabe? Es gab eine klare Absprache, dass ich nach eineinhalb Jahren offiziell die Geschäftsführung übernehmen werde. Seit 1. Januar ist das nun der Fall, dennoch erledigen wir nach wie vor viele Aufgaben gemeinsam und sprechen uns bei wichtigen Entscheidungen immer miteinander ab.

Sie sind verantwortlich für 300 Mitarbeiter. Bleibt da noch Zeit, selbst im Labor zu forschen?Im Labor stehe ich leider schon lange nicht mehr. Das können meine Mitarbeiter mittlerweile auch besser. Aber natürlich arbeite

Matthias Schnurr, Honor Rose,

Jabadurai Jayapaul


ich weiterhin eng zusammen mit meinen Doktoranden und Postdoktoranden. Die Forschung ist und bleibt sicherlich der Teil meiner Arbeit, der mir am meisten Freude bereitet.

Woran forscht eine Professorin für Chemische Biologie?Bei vielen Aspekten der Zellbiologie sind wir jetzt an einem Punkt angekommen, wo man versucht, die Vorgänge in einer Zelle auf molekularer Ebene zu entschlüsseln. Für mich als Chemikerin ist das hoch spannend. Einer meiner Schwerpunkte sind die sogenannten Inositol-Pyrophosphate. Das sind bestimmte Botenstoffe in der Zelle, die zum Beispiel bei Fettstoffwechselkrankheiten und der Insulinsekretion eine wichtige Rolle spielen, aber auch Einfluss auf die Zellmigration, spezifisch die Metastasierung, haben. Wir versuchen sozusagen die chemische Sprache zu verstehen und hoffen, damit die Grundlagen für neue Therapien zu legen.

Sind neue Therapien für Sie der Ansporn, Grundlagenfor-schung zu betreiben? Der Wunsch, die Gesundheit von Menschen zu verbessern, ist das, was uns alle hier antreibt. Wobei ich dazu sagen muss, dass die meisten Gruppen am FMP nicht im eigentlichen Sinne Therapien entwickeln, aber die Grundlagenforschung am Institut stellt dafür die entscheiden Weichen. Das sehen Sie zum Beispiel daran, dass gerade zwei Ausgründungen aus den Gruppen Hackenberger und Kühne in Vorbereitung sind.

Ein Drittel der Forschergruppen am FMP sind Juniorgruppen. Was passiert hier Neues?Eine Menge. Im Bereich Molekulare Physiologie und Zellbiologie gibt es eine neue Liaisongruppe „Neurowissenschaften“, die Emmy-Noether-Juniorgruppe um Alexander Walter. Darüber hinaus erhält unser Juniorgruppenleiter Andrew Plested eine Heisenberg-Professur an der Humboldt-Universität. Seine Gruppe wird für weitere fünf Jahre am FMP als Gastgruppe verbleiben. Abschied werden wir dagegen noch in diesem Jahr von Philipp Selenko nehmen müssen. Er hat seit mehreren Jahren erfolgreich eine Nachwuchsgruppe in der Strukturbiologie geleitet und nun ein attraktives Angebot vom Weizmann Institute of Science in Israel angenommen. Umso erfreulicher ist, dass in diesem wichtigen Forschungsbereich eine neue Nachwuchsgruppe an der Schnittstelle von NMR und Cryo-EM eingerichtet werden soll, und zwar im Rahmen der geplanten „Cryo-EM-Infrastruktur“, an der auch die Berliner Universitäten und das MDC beteiligt sein werden. Unsere Doktoranden sind übrigens auch sehr erfolgreich, Jean-Philippe Demers aus der Abteilung von Adam Lange hat 2015 den Raymond Andrew Preis und die Otto-Hahn Medalle erhalten!

Unser Nachwuchsgruppenleiter Leif Schröder konnte mit dem California Institute of Technology in Pasadena eine Kooperation zur Entwicklung ultra-sensitiver Magnetresonanz-Bildgebung etablieren, mit der etwa Tumoren aufgespürt werden können. Gleichzeitig hat er im vergangenen Jahr für ein ähnliches Vorhaben das Reinhart Koselleck-Projekt der Deutschen Forschungs- gemeinschaft (DFG) eingeworben. Die Förderung beläuft sich auf 1,525 Millionen Euro und war das erste Kosseleck-Projekt für die Leibniz-Gemeinschaft überhaupt. Ich finde, das ist alles sehr bemerkenswert.

Anfang dieses Jahres gab es dann gleich ein zweites Reinhart Koselleck-Projekt für das FMP und noch eine kleine Sensation für das Institut?Ja, nur wenige Monate später konnte Volker Haucke die DFG mit seinem Projektanatrag zur Erforschung der neuronalen Kommuni-kation überzeugen. Darauf sind wir sehr stolz. Beide Auszeichnungen zeigen, wie hochranging am FMP geforscht wird. Schon 2015 wurden

Philipp Selenko und Andrew Plested für ihre Forschungen mit dem hochrangigen „Consolidator Grant“ des Europäischen Forschungsrates (ERC) ausgezeichnet. Mit dieser profiliertesten und begehrtesten Ausschreibung der Europäischen Kommission war Thomas J. Jentsch in den vergangenen fünf Jahren gleich zwei Mal erfolgreich, für seine Forschung an Ionenkanälen erhielt er zum ersten Mal 2012 einen „Advanced Grant“ in Höhe von 2,5 Millionen Euro vom Europäischen Forschungsrat (ERC) und im März dieses Jahres gleich den zweiten ERC Advanced Grant, ein großer Erfolg!

Und was ist mit Ihrem Steckenpferd, der Chemischen Biologie? Auch hier ist der Aufbau einer Nachwuchsgruppe in Planung, Details kann ich Ihnen zu diesem Zeitpunkt leider noch nicht verraten. Allerdings sind wir sehr glücklich, dass wir die Gruppe Massenspektrometrie weiterführen und Ende dieses Jahres mit Dr. Fan Liu neu besetzen. Sie wird die exzellente Infrastruktur, die Eberhard Krause über Jahrzehnte etabliert hat, weiterführen und dazu ihre eigene Forschungsgruppe aufbauen mit sehr aktuellen und interessanten Forschungsprojekten. Wir freuen uns sehr darauf, Dr. Liu demnächst bei uns willkommen zu heißen.

Das FMP wird in diesem Jahr 25 Jahre alt, wo sehen Sie das Institut in 25 Jahren?Trotz stetiger Mission, befindet sich das FMP immer noch in einem gewissen Umbruch. Schon in den nächsten zwei Jahren werden uns Kollegen und Kolleginnen verlassen und in den Ruhestand treten, die zum Teil bereits im Vorläuferinstitut im „Institut für Wirkstofforschung der Akademie der Wissenschaften der DDR“ gearbeitet haben. Das ist bedauerlich, aber eben der Lauf der Dinge. Ich denke, und da spreche ich für die Vergangenheit und für die Zukunft, dass das FMP ein Institut ist, welches besonderen Wert auf modernste Techniken legt. Mit dieser Strategie und unseren exzellenten Wissenschaftlern sichern wir uns langfristig inhaltlich interessante und zukunftsweisende Ergebnisse, die die wissenschaftliche Gemeinschaft und letztendlich die Gesellschaft bereichert. Was ich mir wünsche ist international mehr Sichtbarkeit. Das FMP ist deutschlandweit aber auch international sehr gut vernetzt. Trotzdem ist das Institut, wie auch die Leibniz- Gemeinschaft, international noch nicht so bekannt, wie andere deutschen Forschungsorganisationen. Daran arbeiten wir.

Robert Puschmann, Sarah Hostachy and Dario Demartin

7RESEARCH HIGHLIGHTS AKTUELLES AUS DER FORSCHUNG

RESEARCHHIGHLIGHTS


T H E C A U S E O F M U S C L E W E A K N E S S R E V E A L S T H E O R G A N I S AT I O N A L

P R I N C I P L E I N C E L L S

U R S A C H E V O N V E R E R B T E R M U S K E L S C H W Ä C H E A U F G E K L Ä R T

In hereditary myotubular myopathy, the muscles are severely atrophied and the children rarely survive. In co-operation with French human geneticists, the group led by Volker Haucke has researched what goes wrong on a molecular level in this disease and has stumbled upon a general organisational principle in cells.

The disease is caused by a defect in an enzyme that is specialized in transforming certain membrane lipids, the phosphoinositide phosphates (PIPs). As shown by the team using clever experiments and high-resolution imaging from inside the cell, this defect leads to substance transport within the cells coming to a halt. This work has made clear how the dynamic processes in cells are directed by the targeted transformation of PIPs. “The compartments and transport vesicles within the cells repeatedly cloak themselves with different PIPs and thus change their identity,” says Volker Haucke. “This indicates whether a transport container belongs inside the cell or whether it is supposed to discharge its freight outside.”

In their experiments in cell culture, the FMP researchers were able to restart the transport with a certain active substance. This might be a starting point for the development of drugs for treating this severe and currently incurable hereditary disease.

Bei der vererbten Myotubulären Myopathie sind die Muskeln stark verkümmert, die betroffenen Kinder kaum lebensfähig. Die Gruppe um Volker Haucke hat zusammen mit französischen Humangenetik-ern erforscht, was bei dieser Krankheit auf der molekularen Ebene schiefläuft und ist dabei auf ein allgemeines Organisationsprinzip in Zellen gestoßen.

Die Krankheit entsteht durch einen Defekt in einem Enzym, dass darauf spezialisiert ist, bestimmte Membranlipide, die Phosphoinos-itidphosphaten (PIPs) umzuwandeln. Wie das Team mit trickreichen Experimenten und hochaufgelösten Aufnahmen aus dem Zellinneren zeigen konnte, kommt dadurch der Stofftransport innerhalb von Zellen zum Erliegen. Durch die Arbeit ist klargeworden, wie die dynamischen Abläufe in Zellen durch die gezielte Umwandlung der PIPs dirigiert werden. „Die Kompartimente und Transportvesikel innerhalb der Zellen kleiden sich in immer wieder andere PIPs und wechseln dadurch ihre Identität“, sagt Volker Haucke. „So wird angezeigt, ob ein Transportbehälter ins Zellinnere gehört oder ob er seine Fracht ins Freie entlassen soll.“

Bei ihren Experimenten in Zellkultur konnten die FMP-Forscher den Transport mit einem bestimmten Wirkstoff wieder in Gang setzten. Dies wäre ein Ansatzpunkt für die Entwicklung von Medikamenten, um die schwerwiegende und derzeit unheilbare Erbkrankheit zu behandeln.

Ketel K, Krauss M, Nicot AS, Puchkov D, Wieffer M, Müller R,

Subramanian D, Schultz C, Laporte J, Haucke V (2016)

A phosphoinositide conversion mechanism for exit from endosomes.

Nature 529, 408 – 412.

Accumulation of integrin (red), an important

component of muscles, in vesicles (green) from

cells without MTM1 (right images, including

magnified view) or from control cells (left images,

including magnified view).

Akkumulation von Integrin (rot), ein wichtiger

Baustein von Muskeln, in Vesikeln (grün) aus Zellen

ohne MTM1 (rechte Bilder inkl. Vergrößerung)

im Vergleich zu Kontrollzellen (linke Bilder inkl.

Vergrößerung).

(Kat

harin

a Ke

tel)

CONTROL CELL LOSS OF MTM1

integrinintegrin

vesicalvesical


The amyloid protein α-synuclein plays an important role in Parkinson's disease and other neurodegenerative diseases. It is known that this protein has very concrete structures in the pathological state; however, as isolated, purified protein it does not appear to have any structure at all. What has been missing up until now is an understanding of how α-synuclein is structured in the healthy cell. Scientists from the FMP (Philipp Selenko's research group) have now for the first time visualised the protein in healthy cells with the aid of high-resolution spectroscopic methods. Surprisingly, they found the same structure-less state that the protein has in its purified state. The new findings, which have been published in “Nature” and “Nature Communications”, are a milestone for research: We now know that the structure of the protein changes dramatically over the course of the disease.

Das Amyloid-Protein α-synuclein spielt bei Parkinson und anderen neurodegenerativen Erkrankungen eine wichtige Rolle. Bekannt ist, dass dieses Protein im krankhaften Zustand über sehr konkrete Strukturen verfügt; als isoliertes, aufgereinigtes Protein scheint es jedoch überhaupt keine Struktur zu besitzen. Was bislang fehlte,

war die Erkenntnis, wie α-synuclein in der gesunden Zelle aufgebaut ist. Wissenschaftler vom FMP (Forschungsgruppe Philipp Selenko) konnten das Protein jetzt erstmals mit Hilfe von hochauflösenden spektroskopischen Verfahren in gesunden Zellen sichtbar machen. Überraschendweise fanden sie jenen strukturlosen Zustand vor, den das Protein auch in aufgereinigtem Zustand hat. Die neuen Erkennt-nisse, die in „Nature“ und „Nature Communications“ erschienen sind, sind ein Meilenstein für die Forschung: Jetzt weiß man, dass sich die Struktur des Proteins im Krankheitsverlauf dramatisch verändert.

Binolfi A, Limatola A, Verzini S, Kosten J, Theillet F X, Rose H M, Bekei

B, Stuiver M, van Rossum M, Selenko P (2016) Intracellular repair of

oxidation damaged a-synuclein fails to target C-terminal modification

sites. Nat Commun. 7,10251.

Theillet F X, Binolfi A, Bekei B, Martorana A, Rose H M, Stuiver M,

Verzini S, Lorenz D, van Rossum M, Goldfarb D, Selenko P (2016)

Structural disorder of monomeric a-synuclein persists in mammalian cells.

Nature 530(7588), 45 – 50.

Protein α-synuclein in healthy cells: The central NAC region (grey) is well protected. The protein ensures that no interaction occurs with the cytoplasm (white) and other cell components. In the case of neurodegenerative changes, the grey areas would grow together and form amyloid structures.

Proteins α-Synuclein in gesunden Zellen: Die zentrale NAC-Region (grau) ist gut geschützt. Das Protein sorgt dafür, dass es zu keiner Interaktion mit dem Zytoplasma (weiß) und anderen Zell-Komponenten kommt. Bei neurodegenerativen Veränderungen würden die grauen Bereiche zusammenwachsen und Amyloid-Strukturen ausbilden.

(Phi

lipp

Sele

nko)

M I L E S T O N E F O R PA R K I N S O N ' S R E S E A R C H : T H E A M Y L O I D P R O T E I N α - S Y N U C L E I N I S

V I S U A L I S E D I N T H E C E L L F O R T H E F I R S T T I M E

M E I L E N S T E I N F Ü R D I E PA R K I N S O N - F O R S C H U N G : A M Y L O I D - P R O T E I N α - S Y N U C L E I N E R S T M A L S I N

Z E L L E S I C H T B A R G E M A C H T


D O U B L E M E C H A N I S M C O N F I R M E D : H O W I N O S I T O L P Y R O P H O S P H AT E S

I N F L U E N C E P R O T E I N S

D O P P E LT E R M E C H A N I S M U S B E S TÄT I G T: W I E I N O S I T O L - P Y R O P H O S P H AT E

P R O T E I N E B E E I N F L U S S E N

They are called inositol pyrophosphates and are involved in a wide variety of different processes in the cell, such as insulin secretion and metastasis. With the aid of chemical fishing rods, the team led by Dorothea Fiedler identified over a hundred proteins in yeast cultures to which the messenger substances bind. The bound molecules subsequently altered several of the proteins chemically. Proof that two processes work in tandem here – i. e. first the selective binding and then the chemical modification – was established when the researchers were able to synthesise stabilised versions of the messenger substances. Thus, the reactive molecules sustained the subsequent tests with the fishing hooks. In this way, the researchers extracted the relevant candidates from more than 6,000 proteins. Some of these protein- messenger interactions had already been characterized, but in most cases it was not known which of the proteins bound to inositol pyrophosphates. Of course, the investigation will not stop at yeast cultures.

In the next step, the researchers want to apply their method to human cells, with even better fishing techniques. Experiments on animal models may then follow. “Once we know the exact mechanisms – and we have now taken an important first step in this direction – it may one day be possible to intervene in the signal functions of these messenger substances therapeutically,” says Fiedler. It will be a long journey until then, but in light of the diverse pathological processes in which inositol pyrophosphates are involved, it will be worth it.

Sie heißen Inositol-Pyrophosphate und sind an den verschiedensten Prozessen in der Zelle beteiligt, zum Beispiel an der Insulinsekretion oder der Metastasierung. Das Team um Dorothea Fiedler identifizierte mit Hilfe von chemischem Angeln über hundert Proteine in Hefe- kulturen, an die die Botenstoffe binden. Die nun gebundenen Moleküle veränderten mehrere der Eiweiße anschließend chemisch. Den Nachweis, dass sich hier zwei Prozesse vereinen – also erst die selektive Bindung und dann die chemische Modifikation – war dadurch gelungen, dass die Forscher stabilisierte Versionen der Botenstoffe synthetisieren konnten. So hielten die reaktiven Moleküle den anschließenden Versuchen mit den Angelhaken stand. Auf diese Weise fischten die Forscher aus über 6.000 Proteinen die relevanten Kandidaten heraus. Einige dieser Proteine kannte man schon, von den meisten wusste man jedoch nicht, dass sie mit Inositol-Pyrophosphaten interagieren. Bei Hefekulturen wird es natürlich nicht bleiben.

Im nächsten Schritt wollen die Forscher ihre Methode an menschlichen Zellen überprüfen, mit noch besseren Angeltechniken. Anschließend könnten Experimente an Tiermodellen folgen. „Wenn wir die genau-en Mechanismen kennen – und hierzu ist uns jetzt ein erster wichtiger Schritt gelungen – könnte es eines Tages möglich sein, therapeutisch in die Signalfunktionen dieser Botenstoffe einzugreifen“, sagt Fiedler. Bis dahin sei es zwar noch ein langer Weg, aber angesichts der vielfäl-tigen Krankheitsprozesse, an denen Inositol-Pyrophosphate beteiligt sind, ein sehr lohnenswerter.

Wu M, Chong L S, Perlman D H, Resnick A C, Fiedler D (2016) The inositol

polyphosphates intersect with protein signaling and metabolic networks via

two distinct mechanisms. Proc. Nat. Acad. Sci. USA 113, E6757 – E6765.

Inositol pyrophosphate affinity reagents identify protein interacting

partners, and highlight the unusual ability of these molecules to access

two distinct modes of action.

Immobilisierte Inositolpyrophosphate können zur Identifizierung ihrer

Interaktionspartner genutzt werden, und veranschaulichen, wie diese

Moleküle über zwei verschiedene Mechanismen fungieren können.

PP

PP

PPCP

P

5PCP-InsP5 beadsControl beads

S. cerevisiae cell lysate

Elution / SDS-PAGE

Digestion / LC-MS/MS

Analysis

PP

P P

PP

InsP6 beads

0 2 4 6 8 10 12 14

!"

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'"

("

)"

*"

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!!"

!#"

!$"

Cellular compartment Molecular function Biological process

-Log10P

RNA pol I complexNucleolus

PreribosomePlasma membrane enriched fraction

RNA pol III complexSmall nucleolar ribonucleoprotein complex

RNA polymerase activity

Transcription from RNA pol I promoterRegulation of translation

rRNA processingGlucose metabolic process


“ W E ' V E P U S H E D T H E D O O R W I D E

O P E N T O N O V E L B I O M E D I C A L

I N S I G H T S ”

Thomas Jentsch is considered one of the world's leading researchers in the field of ion channels. In this interview, he talks about his latest discoveries and his plans for the coming years.

Professor Jentsch, three years ago you discovered the molecular identity of the anion channel VRAC. Since this breakthrough, what else have you been able to find out about this regulator of cell volume? The identification of the proteins constituting VRAC is indeed decisive for understanding this important channel which researchers had been studying for more than 30 years. Only by knowing its molecular composition one can investigate its localisation, details of its molecular working, as well as its diverse physiological functions and role in diseases. We have only recently begun to study these aspects, but we have already discovered that VRAC not only regulates the cell volume, but also transports certain neurotrans-mitters and anti-cancer drugs. Apart from this, we've learned that VRAC consists of five subunits, which can occur in different combinations. For example, the subunit LRRC8D is essential for transport of the chemotherapeutics cisplatin and carboplatin, which are administered to treat various solid tumours.

Are we already involved in clinical research?Let's put it this way: With the identification of VRAC, we have pushed open the door to many new biological, medical and pharma-cological insights. At the moment, we are still operating in the field of basic research, and I never tire of stressing the importance of basic research. The identification of VRAC is a further example of how quickly this flows into concrete medical findings.

Such as cancer? Yes, for example. Within one year of the identification of VRAC, we were able to show that chemotherapeutics used to treat cancer pass into the cell through this channel. If the VRAC subunit necessary for this transport is missing, we not only observe a lower degree of tumour cell killing in culture, but also chemotherapy resistance in cancer patients. We demonstrated this in co-operation with Dutch scientists. Our colleagues analysed gene expression profiles of ovarian cancer in patients who had been treated with cisplatin or carboplatin. Those who had less of the subunit LRRC8D in their tumours died earlier, or in other words were probably partially resistant to this medication.

Had it not been suspected for a long time that VRAC also plays a role in programmed cell death (apoptosis), which chemotherapies are known to activate? This was a hypothesis that we looked into. Impairment of the cell shrinkage that occurs in apoptosis, so the hypothesis went, reduces the induced cell death of cancer cells. Indeed, cells in which we had genetically eliminated VRAC showed significantly lower levels of programmed cell death. VRAC-related drug resistance of tumours thus may involve a dual mechanism, although we currently assume that the reduced intake of anti-cancer drugs is the more important one.

Are your findings on the transport of neurotransmitters as similarly far advanced?Here, we have been able to confirm the hypothesis that VRAC trans-ports glutamate and other amino acids. A new finding is that this depends on the subunit composition of VRAC and that this channel

„ W I R H A B E N D I E T Ü R F Ü R N E U E

B I O M E D I Z I N I S C H E E R K E N N T N I S S E

A U F G E S T O S S E N “

Prof. Dr. Dr. Thomas J. Jentsch


can also transport GABA. We suspect fascinating roles of specific VRACs in physiological signal transmission in the brain but also, for example, in the development of pathologies like stroke.

Do you already have your sights on a medical target?In the case of stroke, we know that astrocytes, glial cells found in the central nervous system, swell and release glutamate under hypoxia. This will result in glutamate toxicity that leads to neuronal cell death. If one could prevent VRAC from releasing glutamate, the damaged brain area would probably be smaller. Using genetic mouse models, we are now investigating this hypothesis in co-operation with a group at the Charité.

What might a therapeutic intervention look like?It is hoped that drugs may be developed that specifically block those VRACs that allow glutamate to pass, that is channels containing specific combinations of subunits. We are currently searching for substances that modulate the activity of VRAC together with the FMP Screening Unit. But it will no doubt take years to develop new treatment options.

At the beginning of the year, you received your second ERC Advanced Grant. What do you intend to do with the 2.5 million euros? Well, a part of the project is dedicated to the characterisation of VRAC and its physiological and pathological roles, an area in which we expect many new and no doubt in part surprising findings. We have already spoken about some of the aspects involved. The second part aims at the molecular identification of two further important ion channels. These two channels may also lead us into completely new terrain, as was the case with VRAC.

Was VRAC actually the reason for being awarded a second ERC grant?It wasn't the reason, but an important prerequisite. The identification of VRAC, a central project of my first ERC Advanced Grant, provided not only the basis for the VRAC projects of the second grant, but also demonstrated our ability to carry out such high-risk projects successfully. We will now explore new areas which will hopefully lead to new exciting discoveries.

Thomas Jentsch gilt als weltweit führender Forscher auf dem Gebiet der Ionenkanäle. Im Interview spricht er über seine jüngsten Entdeckungen und Pläne für die kommenden Jahre.

Herr Professor Jentsch, vor drei Jahren haben Sie die moleku-lare Identität des Anionenkanals VRAC entdeckt. Was konnten Sie seit diesem Durchbruch Neues über diesen Regulator des Zellvolumens herausfinden? In der Tat war die Identifizierung der Proteine, aus denen VRAC besteht, entscheidend für das Verständnis des Kanals, den man ja schon seit 30 Jahren untersucht hat. Erst dadurch können seine Lokalisation, molekulare Funktionsweise und diverse physiologische Funktionen sowie seine Rolle bei Krankheiten untersucht werden. Wir sind mit diesen Untersuchungen immer noch am Anfang, haben aber schon jetzt herausgefunden, dass der Ionenkanal nicht nur das Zellvolumen reguliert, sondern auch bestimmte Neurotransmitter und Anti- Krebsmedikamente transportiert. Außerdem haben wir gelernt, dass VRAC aus fünf Untereinheiten besteht, die in verschiedenen Kombinationen auftreten können. So ist etwa die Untereinheit LRRC8D für den Transport der Chemotherapeutika Cisplatin und Carboplatin essenziell, die bei verschiedenen soliden Tumoren gegeben werden.

Jetzt sind wir schon in der klinischen Forschung?Sagen wir es so: Mit der Identifizierung von VRAC haben wir die Tür zu vielen neuen biologischen, medizinischen und pharmakologischen Erkenntnissen aufgestoßen. Momentan bewegen wir uns noch im Bereich der Grundlagenforschung, und ich werde nicht müde, deren Bedeutung hervorzuheben. Die Identifizierung von VRAC ist ein weiteres Beispiel dafür, wie schnell diese in konkrete medizinische Erkenntnisse mündet.

Erkenntnisse über Krebs? Ja, zum Beispiel. Schon im ersten Jahr nach der Identifizierung von VRAC konnten wir zeigen, dass durch diesen Kanal Chemothera- peutika in die Zelle gelangen. Fehlt die für diesen Transport notwendige VRAC Untereinheit, beobachten wir nicht nur ein geringeres Abtöten von Tumorzellen in Kultur, sondern auch eine Chemotherapie-Resistenz bei Tumorpatienten. Dies konnten wir in

Components of the VRAC in the

plasma membrane of the cell.

Bestandteile des VRAC in der

Plasmamembran in der Zelle.

(Tob

ias

Stau

ber)

Issue of ”The Journal of

Physiology” (2015) devoted to

the 25th anniversary of the

identification of the CLC channels

by Thomas Jentsch (picture left)

Ausgabe des ”The Journal of

Phyisology” (2015) zum 25-jährigen

Jubiläum der Identifizierung der

CLC Kanäle durch Thomas Jentsch

(Abbildung links)


Prof. Dr. Dr. Thomas J. Jentsch was named Honorary Doctor by the

University Medical Center Hamburg-Eppendorf (UKE) on May 2, 2017.

Prof. Dr. Dr. Thomas J. Jentsch wurde am 2. Mai 2017 zum Ehrendoktor

der Medizinischen Fakultät des Universitätsklinikums Hamburg-Eppendorf

(UKE) ernannt.

Zusammenarbeit mit einer holländischen Arbeitsgruppe nachweisen. Die Kollegen hatten Genexpressionsprofile von Eierstocktumoren von Patientinnen analysiert, die mit Cisplatin oder Carboplatin be-handelt worden waren. Diejenigen, die weniger von der Untereinheit LRRC8D im Tumor hatten, waren deutlich früher gestorben, also wahrscheinlich relativ resistent gegen das Medikament.

Gab es nicht schon lange den Verdacht, dass VRAC auch eine Rolle beim programmierten Zelltod, der Apoptose, spielt, den Chemotherapien ja aktivieren können? Es gab diese Hypothese und wir sind ihr auch nachgegangen. Nach dieser Hypothese ist der induzierte Zelltod von Krebszellen dann ver-ringert, wenn die bei Apoptose typische Zellschrumpfung ausfällt. In der Tat zeigten Zellen, in denen wir VRAC genetisch eliminiert hatten, wesentlich weniger programmierten Zelltod. Bei der Chemo-Resistenz von Tumoren haben wir es also wahrscheinlich mit einem doppelten Mechanismus zu tun, wobei wir derzeit davon ausgehen, dass die redu-zierte Medikamenten-Aufnahme der wichtigere ist.

Sind Ihre Erkenntnisse zum Transport von Neurotransmittern schon ähnlich konkret?Hier konnten wir die Hypothese bestätigen, dass VRAC Glutamat und andere Aminosäuren transportiert. Neu ist die Erkenntnis, dass dies über verschiedene Kombinationen von Untereinheiten geschieht und unter anderem auch GABA so die Zelle verlassen kann. Wir vermuten faszinierende Rollen bei der physiologischen Signalüber-tragung im Gehirn, aber zum Beispiel auch beim Schlaganfall.

Haben Sie schon einen medizinischen Angriffspunkt im Blick?Wir wissen, dass beim Schlaganfall Astrozyten, das sind bestimmte Zellen des zentralen Nervensystems, anschwellen und Glutamat freisetzen. In der Folge kommt es zu der bekannten Glutamattoxizität und Neuronen sterben ab. Würde man nun VRAC an der Glutamat-freisetzung hindern, wäre das geschädigte Hirnareal vermutlich kleiner. Dies können wir jetzt mit Hilfe von genetischen Mausmodellen zusammen mit einer Gruppe an der Charité untersuchen.

Wie könnte denn ein therapeutischer Eingriff aussehen?Die Hoffnung ist, gezielt die entsprechend zusammengesetzten

Formen von VRAC medikamentös zu blockieren, die Glutamat durchlassen. Wir suchen bereits mit unserer Screening-Unit nach Substanzen, die die Aktivität von VRAC modulieren. Es wird aber sicher Jahre dauern, bis sich möglicherweise neue Behandlungsmög-lichkeiten auftun.

Sie haben Anfang des Jahres ihren zweiten ERC Advanced Grant bekommen. Was werden Sie mit den 2,5 Millionen Euro anfangen? Nun, ein Teil des Projektes ist der Charakterisierung von VRAC und seinen physiologischen und pathologischen Rollen gewidmet, wo wir sehr viele neue, zum Teil sicher überraschende, Erkenntnisse erwarten. Über einige Aspekte haben wir eben schon gesprochen. Im zweiten Teil geht es um die molekulare Identifizierung von zwei weiteren Ionenkanälen. Diese beiden Kanäle könnten uns ebenfalls in völlig neues Terrain führen, wie es bei VRAC der Fall war.

War VRAC eigentlich der Grund für die abermalige Auszeichnung?Der Grund nicht, aber eine wichtige Voraussetzung. Die Identifi-zierung von VRAC war ja ein zentrales Projekt meines ersten ERC Advanced Grants und war damit nicht nur die Grundlage für die VRAC-Projekte des zweiten Grants, sondern auch der Beweis, dass wir solche Hochrisikoprojekte erfolgreich durchziehen können. Nun geht es um zwei weitere neue Felder und Entdeckungen, von denen wir heute noch nicht einmal etwas ahnen.

Tobias Münch and Ian Orozco Felizia Voss and Tobias Stauber

SECTION MOLECULAR PHYSIOLOGY

AND CELL BIOLOGY

BEREICH MOLEKULARE PHYSIOLOGIE

UND ZELLBIOLOGIE

Cellular ImagingZelluläre Bildgebung

Group leaders Dr. Burkhard Wiesner (Light Microscopy)Dr. Dmytro Puchkov (Electron Microscopy)

PAGE 49

Animal FacilityTierhaltung

Group leader Dr. Natali Wisbrun

PAGE 52

Molecular and Theoretical NeuroscienceMolekulare und Theoretische Neurowissenschaften

Group leader Dr. Alexander Matthias Walter

PAGE 46

Molecular Cell PhysiologyMolekulare Zellphysiologie

Group leader PD Dr. Ingolf E. Blasig

PAGE 31

CHEMICAL BIOLOGY CHEMISCHE BIOLOGIE

Physiology and Pathology of Ion TransportPhysiologie und Pathologie des Ionentransports

Group leader Prof. Dr. Dr. Thomas J. Jentsch

PAGE 20

Molecular Pharmacology and Cell BiologyMolekulare Pharmakologie und Zellbiologie

Group leader Prof. Dr. Volker Haucke

PAGE 24

Proteostasis in Aging and DiseaseDie Rolle der Proteostase beim Altern und in Krankheit

Group leader Dr. Janine Kirstein

PAGE 40

Behavioural Neurodynamics Verhaltensneurodynamik

Group leaders Dr. Tatiana KorotkovaDr. Alexey Ponomarenko

PAGE 43

Membrane Traffic and Cell MotilityMembrantransport und Zellbeweglichkeit

Group leader PD Dr. Tanja Maritzen

PAGE 37

Molecular Neuroscience and BiophysicsMolekulare Neurowissenschaften und Biophysik

Group leader Dr. Andrew J.R. Plested

PAGE 34

Protein Trafficking

Group leader Prof. Dr. Ralf Schülein

PAGE 28


Life is based on complex cellular and physiological mechanisms and their well-orchestrated interplay. In the case of disease, this interplay becomes unbalanced. Research in the “Molecular Physiology and Cell Biology” section aims at understanding such mechanisms in molecular detail, as well as their dysfunc-tion in disease. Cellular targets for pharmaceutical intervention, many of them membrane proteins such as ion channels and G-protein-coupled receptors, are identified, studied in their physiological environment, and their modulation by bioactive compounds explored. According to our mission to create a broader basis for pharmacology we focus on the study of less-explored membrane proteins and of molecules of key importance for intracellular trafficking. To this end, we employ a broad arsenal of techniques, ranging from molecular and cellular biology, to biochemistry and biophysics, to whole-animal physiology using genetically modified mice, often with links to human disease. Our projects have benefitted greatly from interactions with other sections of the FMP, including those concerned with structural biology and modeling, drug and siRNA screening, as well as chemical biology.

Two main research topics addressed in this section concern membrane proteins like ion channels and transporters, receptors, and junctional proteins, as well as cellular trafficking processes, in particular exo- and endocytosis. Strong links exist between these research topics: for instance, the interplay between exocytic membrane insertion of receptors into the plasma membrane and their endocytic retrieval determines the cellular activity of receptors; conversely, ion transport

S E C T I O N M O L E C U L A R P H Y S I O L O G Y A N D C E L L B I O L O G Y

B E R E I C H M O L E K U L A R E P H Y S I O L O G I E U N D Z E L L B I O L O G I E

across endo- / lysosomal membranes regulates intracellular trafficking. During the reporting period, many exciting discoveries have been made by groups of the section, often in collaborations between FMP groups. For instance, the department “Molecular Pharmacology and Cell Biology”, headed by Volker Haucke, has discovered a mechanism for the local conversion of phosphoinositides, minor phospholipids that couple organelle identity to membrane traffic and signaling, from phosphatidylinositol 3-phosphate to phosphatidylinositol 4-phosphate, to enable exit from the endosomal system. A defect in this phosphoinositide conversion at endosomes underlies X-linked centronuclear myopathy in humans (Ketel et al., Nature 2016). The “Physiology and Pathology of Ion Transport” department, led by Thomas Jentsch, found that volume-regulated LRRC8 (VRAC) channels, only recently identified by the group, transport organic compounds including neurotransmitters and the anti-cancer drug cisplatin depending on the particular subunit composition, proving that LRRC8 proteins form the channel pore. Downregulation of LRRC8D is clinically relevant in tumor drug resistance (Planells- Cases et al., EMBO J 2015). The “Molecular Cell Physiology” research group, headed by Ingolf Blasig, discovered a novel pathway to overcome pharmacological tissue barriers that can then be targeted to improve drug delivery, while the “Protein Trafficking” group of Ralf Schülein identified novel inhibitors of the eukaryotic Sec / translocon pathway in cell-based high-throughput screens.

The four junior research groups of the section contributed significantly to the scientific output of the section. The “Behavioral Neurodynamics” junior group, headed by Tatiana Korotkova / Alexey Ponomarenko, used novel optogenetic actuators for opposing control of neuronal activity to show that high-frequency oscillations in the hypothalamus and cerebral cortex enable food-seeking behavior (Carus-Cadavieco et al., Nature 2017). The “Molecular Neuroscience and Biophysics” group, led by Andrew Plested, produced a glutamate receptor that can report its own activation with a fluorescent signal (Zacchariassen et al., PNAS 2016), the first of its kind and the initial step on the road to a genetically-encoded optical reporter of synaptic transmission. Tanja Maritzen’s junior group, “Membrane Traffic and Cell Motility”, discovered that the thus far uncharacterized endocytic adaptor protein Stonin1 regulates cell motility by mediating the internalization of the glioma-associated proteoglycan NG2 (Feutlinske et al., Nature Commun. 2015), thereby likely also limiting NG2’s oncogenic potential. Janine Kirstein, who leads the junior group “Proteostasis in Aging and Disease”, identified a novel human chaperone complex that completely suppresses Huntington aggregation and resolubilizes amyloid fibrils formed by this neurodegenerative disease-causing protein. The Liaison Group Neuroscience “Molecular and Theroretical Neuroscience”, led by Alexander Walter, unraveled the molecular principles of the spatial organization of neurotransmitter release at the synapse and its importance for efficient synaptic transmission, using a combination of super-resolution imaging, physiology, genetics, and mathematical modeling (Böhme et al., Nat. Neurosci. 2016).Mathias Böhme

17MOLECULAR PHYSIOLOGY AND CELL BIOLOGY MOLEKULARE PHYSIOLOGIE UND ZELLBIOLOGIE

The FMP is closely connected to the Berlin neuroscience community via the groups of Korotkova / Ponomarenko and Alexander Walter, located at the Charité in central Berlin, as well as through the DFG-financed Cluster of Excellence, NeuroCure. The heads of both departments (Jentsch, Haucke) are members of NeuroCure, as are the junior group leaders Alexey Ponomarenko, Tatiana Korotkova, Andrew Plested, and Janine Kirstein. These junior groups receive substantial co-financing from NeuroCure. Additional financing has also come from competitive intramural grants from the Leibniz Association. An SAW grant to Thomas Jentsch helped initially to establish the Korotkova / Ponomarenko group, and Tanja Maritzen’s group is largely financed by a competitive Leibniz program aimed at fostering female group leaders. In 2014 Volker Haucke and Thomas Jentsch, together with Hartmut Oschkinat and Jens von Kries from the Structural Biology and Chemical Biology sections, respectively, jointly obtained an SAW grant for the “Role of protein homeostasis in cellular aging”, as part of a program aimed at creating synergies with other Leibniz Institutes (Leibniz-Institut für Neurobiologie (LIN, Magdeburg) and the Fritz-Lipmann-Institut (FLI, Jena)), and they likewise received intramural grants for collaborative aging-related research. Most recently, an SAW grant was awarded to Volker Haucke, together with Dorothea Fiedler (Chemical Biology Section) and Hartmut Oschkinat, to develop a novel methodology for the quantitative determination of inositol phosphates. Moreover, the section has invested heavily in cellular imaging techniques, a development that was initiated by Volker Haucke and that is supervised by Burkhard Wiesner. Super-resolution technologies such as PALM / STORM and STED, spinning disk microscopy, and high pressure freezing for electron microscopy are now readily available to FMP scientists. Research carried out in the section is thoroughly interconnected with research being done in the other sections of the FMP, especially the screening and chemical biology capacities provided by the “Chemical Biology Platform”, including the “Screening Unit”, as well as with the proteomics capabilities of the “Mass Spectrometry” group of the Chemical Biology section. The diversity of approaches and techniques, together with our common interest in cell biology and neurobiology, provides an excellent basis for advancing our knowledge of crucial mechanisms that may be amenable to pharmacological intervention.

Leben gründet sich auf komplexe zelluläre und physiologische Mechanismen und deren optimal abgestimmtes Zusammenspiel. Gerät dieses aus dem Gleichgewicht, entstehen Krankheiten. Das Verständnis dieser Mechanismen im molekularen Detail als auch deren Störung bei Krankheit ist Ziel der Forschung im Bereich „Molekulare Physiologie und Zellbiologie“. Zelluläre Zielmoleküle (Targets) für eine pharmakologische Einfluss-nahme, darunter viele Ionenkanäle und G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, werden identifiziert und in ihrer physiologischen Umgebung untersucht. Zudem werden bioaktive Substanzen, die diese Targets modulieren können, gesucht. Im Sinne unserer Mission, die Basis für pharmakologische Einflussnahme zu vergrößern, ist unsere Forschung darauf ausgerichtet, wenig charakterisierte Membranproteine und Schlüsselmoleküle des intrazellulären Membrantransportes zu untersuchen. Dazu setzen wir eine breite Palette von Techniken und Methoden aus Molekular- und Zellbiologie, Biochemie, Biophysik und Physio- logie an Tiermodellen, in der Regel genetisch veränderten Mäusen, ein. Die untersuchten Tiermodelle sind oft mit menschlichen Krankheiten verknüpft. Die Projekte des Berei-ches profitieren hier sehr von der Zusammenarbeit mit den anderen Bereichen des FMP, insbesondere mit Strukturbiologie und Modellierunng, Wirkstoff-, siRNA-Screening und chemischer Biologie.

Zwei wesentliche Forschungsschwerpunkte des Bereiches sind einerseits Membranproteine wie Ionenkanäle, Transporter, Rezeptoren und Tight Junction-Proteine, andererseits Vorgänge des zellulären Membrantrans-ports. Zwischen diesen Schwerpunkten gibt es enge Verknüpfungen. Beispielsweise wird die zelluläre Aktivität von membranständigen Rezeptoren durch das Wechselspiel von Insertion der Rezeptoren in die Plasmamembran durch Exozytose und Entfernung aus dieser Membran durch Endozytose bestimmt. Im Gegenzug reguliert der Ionentransport über endo- / lysosomale Membranen den intrazellulären Membranfluss. Im Berichtszeitraum sind etliche hochinteressante Entdeckungen durch Mitglieder des Bereichs veröffentlicht worden, viele in enger Zusammenarbeit zwischen Arbeitsgruppen des FMP. So entdeckte die Abteilung „Molekulare Pharmakologie und Zellbiologie“ unter der Leitung von Volker Haucke einen Mechanismus der lokalen

Sophie Dithmer Dmytro Puchkov


Umwandlung von Phosphoinositiden (Phospholipide, die die Identität von Organellen mit Membranverkehr und Signaltransduktion koppeln), der Phosphatidylinositol 3-Phosphat in Phosphatidylinositol 4-Phosphat umwandelt. Eine Störung dieser Reaktion, die für den Transport aus dem endosomalen System wichtig ist, liegt der X-chromosomalen zentronukleären Myopathie beim Menschen zugrunde (Ketel et al., Nature 2016). Die von Thomas Jentsch geleitete Abteilung „Physiologie und Pathologie des Ionentransports“ entdeckte, dass die erst kürzlich von der Gruppe identifizierten volumenregulierenden LRRC8 (VRAC) – Kanäle, abhängig von ihrer spezifischen Zusammensetzung aus LRRC8 Untereinheiten, organische Verbindungen wie z. B. Neurotransmitter oder das Krebsmedikament Cisplatin transportieren – ein Befund, der beweist, dass LRRC8 Proteine die Pore des Kanals bilden. Eine Herunterregulierung von LRRC8D ist klinisch relevant für die Resistenz bestimmter Krebsformen gegen Zytostatika-Therapie (Planells-Cases et al., EMBO J 2015). Die Arbeitsgruppe „Molekulare Zellphysiologie“, geleitet von Ingolf Blasig, entdeckte einen neuen Signaltrans- duktionsweg, der gezielt eingesetzt werden kann, um durch Überwin-dung von Gewebebarrieren die Wirkstoffeffizienz zu verbessern. Die von Ralf Schülein geleitete Gruppe „Protein Trafficking“ identifizierte in einem zellbasierten Hochdurchsatz-Screen neue Inhibitoren des eukaryotischen Sec / Translocon Weges über die Membran des endoplasmatischen Retikulums.

Die vier Nachwuchsgruppen des Bereichs haben ebenfalls signifikant zu dessem wissenschaftlichen Erfolg beigetragen. Die Nachwuchs-gruppe „Verhaltensneurodynamik“ von Tatiana Korotkova und Alexey

Ponomarenko zeigten mit neuartigen optogenetischen Verfahren zur Manipulation neuronaler Aktivität, dass hochfrequente elektrische Schwingungen im Hypothalamus und in der Hirnrinde das Nahrungs-suchverhalten ermöglichen (Carus-Cadavieco et al., Nature 2017). Die Nachwuchsgruppe „Molekulare Neurowissenschaft und Biophysik“ unter Leitung von Andrew Plested stellte einen Glutamatrezeptor her, der seine eigene Aktivierung mit einem Fluoreszenzsignal anzeigt (Zacchariassen et al., PNAS 2016), den ersten seiner Art. Dies ist ein erster Schritt hin zu einem genetisch-kodierten optischen Detektor synaptischer Übertragung. Die Nachwuchsgruppe „Membrantransport und Zellbeweglichkeit“ von Tanja Maritzen entdeckte, dass das bislang noch nicht charakterisierte endozytische Adapterprotein Stonin1 die Zellmotilität durch Vermittlung der Internalisierung des Gliom- assoziierten Proteoglycans NG2 reguliert (Feutlinske et al., Nature Commun. 2015), wodurch wahrscheinlich auch das kreberzeugen-de Potenzial von NG2 eingeschränkt wird. Janine Kirstein, die die Juniorgruppe „Rolle der Proteostase beim Altern und in Krankheit“ leitet, identifizierte einen neuartigen menschlichen Chaperon-Komplex, der die Protein-Aggregation bei der Huntington-Krankheit vollständig unterdrückt und die durch diese neurodegenerative Erkrankung verursachenden Amyloidfibrillen auflöst. Die Liaison Gruppe Neurowissenschaften „Molekulare und Theoretische Neurowissen- schaften“ unter der Leitung von Alexander Walter konnte durch eine Kombination von hochauflösender Mikroskopie, Physiologie, Genetik und mathematischer Modellierung molekulare Mechanismen ergründen, die Neurotransmitter-Freisetzung auf der Skala millionstel- Millimeter räumlich präzise an der Synapse organisieren, um eine

Claudia Schmid (photo left) and

Ljudmila Katchan (photo right)

Arthur Gibert (photo left) and

Ian Orozco (photo right)


effiziente Signalübertragung zu gewährleisten (Böhme et al., Nat. Neurosci. 2016).

Sowohl durch die Gruppen Korotkova / Ponomarenko und Alexander Walter, deren Labore sich an der Charité-Universitätsmedizin im Zentrum Berlins befinden, als auch durch das DFG-finanzierte Exzellenzcluster „NeuroCure“ ist das FMP eng in die neurowis-senschaftliche Forschungsszene Berlins eingebunden. Die Abtei-lungsleiter beider Abteilungen des Bereiches (Thomas Jentsch, Volker Haucke) sowie die Nachwuchsgruppenleiterinnen und -leiter Janine Kirstein, Tatiana Korotkova, Andrew Plested und Alexey Ponomarenko sind Mitglieder dieses Exzellenzclusters. Ihre Nach-wuchsgruppen erhalten eine zum Teil substanzielle Co-Finanzierung durch NeuroCure. Zusätzliche Finanzmittel stammen von kompetitiv vergebenen Fördermitteln innerhalb der Leibniz-Gemeinschaft. Eine SAW-Förderung für Thomas Jentsch ermöglichte so die Einrichtung der Nachwuchsgruppe Korotkova / Ponomarenko und Tanja Maritzens Nachwuchsgruppe wird weitgehend aus einem kompetitiven Leibniz-Programm zur Förderung von Wissenschaft-lerinnen in Leitungsfunktionen finanziert. 2014 warben Volker Haucke und Thomas Jentsch zusammen mit Hartmut Oschkinat (Bereich Strukturbiologie) und Jens von Kries (Bereich Chemische Biologie) eine SAW-Förderung für das gemeinsame Projekt zur „Rolle der Proteinhomöostase für das zelluläre Altern“ ein. Das Projekt ist Teil eines größeren Vernetzungsprojektes in einem Programm, das Synergien mit anderen Leibniz-Instituten schaffen soll, in diesem Fall mit dem Leibniz-Institut für Neurobiologie

(LIN, Magdeburg) und dem Fritz-Lipmann-Institut (FLI, Jena), die gleichermaßen Fördermittel aus diesem Programm für die gemeinsame Forschung zum Altern erhalten. Jüngst konnte Volker Haucke zusammen mit Dorothea Fiedler (Bereich Chemische Biologie) und Hartmut Oschkinat eine SAW-Förderung zur quantitativen Bestimmung von Inositolphosphaten einwerben.

Zudem investiert der Bereich kontinuierlich und substanziell in den Aufbau hochmoderner zellulärer Visualisierungstechniken, eine Entwicklung initiiert von Volker Haucke und geleitet von Burkhard Wiesner. Hochauflösende Lichtmikroskopietechnologien wie PALM / STORM und STED, Spinning Disc-Mikroskopie und High Pressure Freezing für die Elektronenmikroskopie sind nunmehr für FMP-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler gut zugänglich. Die Forschung des Bereichs ist ausgezeichnet mit der Forschung der anderen Bereiche des FMP vernetzt. Das trifft insbesondere auf die Nutzung von Screening und Methoden der chemischen Biologie, die „Screening Unit“ und die „Chemical Biology Platform“ bereithalten, sowie auf das Proteomik-Portfolio der Arbeitsgruppe „Massenspektrometrie“ im Bereich Chemische Biologie zu. Die Vielfalt der wissenschaftlichen Ansätze und Techniken, zusammen mit unserem hohen Interesse an Zellbiologie und Neurobiologie, bieten eine ausgezeichnete Grundlage um unser Wissen über grundlegende Mechanismen zu vergrößern, die pharmakologischen Eingriffen zugänglich sein könnten.

Mouhannad Malek and Rashin Roshan Bin

(photo above), Annika Scior and Kerstin

Steinhagen (photo left), Franziska Bender and

Alexey Ponomarenko (photo right)


P H Y S I O L O G Y A N D PAT H O L O G Y O F I O N T R A N S P O R T

P H Y S I O L O G I E U N D PAT H O L O G I E D E S I O N E N T R A N S P O R T S

G R O U P L E A D E RPRO F. D R . D R . T HO M A S J . JENT SCH

S U M M A R Y

We aim to understand ion transport processes from the molecular to the subcellular and cellular levels, up to the level of the organism. The latter levels are addressed through an investigation of the phenotypes of knock-out (KO) and knock-in (KI) mice and the analysis of human genetic diseases. We investigate CLC Cl- channels and transporters, KCNQ K+ channels, KCC cation-chloride cotransporters, anoctamin Ca2+-activated Cl- channels, and the volume-regulated VRAC channel. Key research areas are structure / function analysis, cellular neurobiology, extracellular signaling, volume regulation, and the endosomal-lysosomal system. We study many organs, including the brain, inner ear, olfactory epithelium, skin mechanoreceptors, kidney, and testis. After our breakthrough in identifying the long-sought volume-regulated anion channel VRAC in 2014, we put great emphasis on understanding the structure / function and physiology of this ‘new’ channel. We are particularly excited by its ability to transport organic signaling molecules and drugs and are generating and analyzing knock-out mouse models for each of its five subunits. These mice have begun to provide novel biological, and medically important, insights.

Z U S A M M E N FA S S U N G

Unser Ziel ist es, Ionentransportprozesse von der molekularen über die subzelluläre und zelluläre Ebene bis zur Rolle im gesamten Organismus zu verstehen. Letzteres versuchen wir durch Untersuchung der Phänotypen von knock-out (KO)- und knock-in (KI)-Mäusen und die Analyse humangenetischer Erkrankungen zu erreichen. Unser Schwerpunkt liegt dabei auf CLC Cl- Kanälen und -Transportern, KCNQ K+ Kanälen, KCC-Kation-Chlorid- Kotransportern, Anoctamin Ca2+-aktivierten Cl- Kanälen und in letzter Zeit vor Allem Volumen-regulierten VRAC Kanälen. Wir befassen uns mit Struktur / Funktions-Analyse dieser Kanäle, ihrer Rolle im Nervensystem, bei extrazellulärer Signaltransduktion, in der Volumenregulation und in Endosomen und Lysosomen. Dabei untersuchen wir eine Reihe von Organen wie das Gehirn, Innenohr, Mechanorezeptoren der Haut, Riechepithelien, Niere und Hoden. Nachdem uns 2014 der Durchbruch mit der molekularen Identifizierung des schwell-aktivierten Anionenkanals VRAC gelungen ist, entwickeln wir breite Forschungsprogramme zur Aufklärung der Struktur-Funktions-Beziehungen und physiologischen Rollen dieses „neuen“ Kanals. Uns fasziniert insbesondere, dass er auch organische Signalmoleküle und Medikamente transportiert, und wir haben eine Reihe von Mausmodellen für alle seine fünf Untereinheiten erzeugt. Ihre Analyse erlaubt schon jetzt wichtige Einblicke in bisher unbekannte physiologische Prozesse und ergibt medizinisch relevante Einsichten.

B I O G R A P H Y

1972 – 1978 Studied Medicine, 1974 – 1980 Studied Physics, Free University of Berlin

1981 – 1985 Staff scientist, Institute of Clinical Physiology (Prof. Wiederholt), Free University of Berlin

1982 Ph.D. in Physics, Fritz-Haber-Institute (Prof. Block), Berlin

1984 M.D., Institute of Clinical Physiology (Prof. Wiederholt), Free University of Berlin

1986 – 1988 Postdoctoral fellow, Whitehead Institute (Harvey F. Lodish, MIT), Cambridge MA

1988 – 1993 Research group leader, Center for Molecular Neurobiology Hamburg (ZMNH), Hamburg University

1991 “Habilitation” in Cell Biochemistry, Medical School of Hamburg University

1993 – 2006 Full professor (C4) of Molecular Neuropathology, ZMNH, Hamburg University; Director of the Institut für Molekulare Neuropathobiologie

1995 – 98 & 2001 – 2003 Director of the Center for Molecular Neurobiology Hamburg (ZMNH)

Since 2006 Head of department, FMP and MDC, Berlin (joint appointment), Full Professor (W3), Charité – University Medicine Berlin

Since 2007 Member of NeuroCure Cluster of Excellence

Since 2009 Deputy Director, FMP

Since 1992 more than 12 prizes and awards, e. g. Gottfried Wilhelm Leibniz Prize; Prix Louis-Jeantet de médecine; Ernst Jung Preis für Medizin; Feldberg Prize. A detailed list is awailable at: www.leibniz-fmp.de/tjj-awards

Since 2000 elected member of EMBO and four Academies of Science

2011, 2017 ERC Advanced Grants


D E S C R I P T I O N O F P R O J E C T S

Properties and roles of the long-sought volume-regulated anion channel VRAC Cells must regulate their volume, for instance during growth or when exposed to osmotic challenges. A key player in this process is the volume-regulated anion channel VRAC that has been known biophysically for more than 20 years but whose molecular identity had remained obscure. Using a genome-wide siRNA screen at the FMP screening facility, we have identified heteromers of LRRC8 proteins, containing four membrane spans and C-terminal leucine-rich repeats, as crucial VRAC components (Voss et al., Science 2014). LRRC8A is required for VRAC activity, but needs at least one other isoform (LRRC8B to -E) to form channels. VRACs are probably hexamers of up to five different LRRC8 isoforms. We have shown that VRAC also conducts various organic compounds, including neurotransmitters and modulators, suggesting it has a role in extracellular signal transduction and diseases such as stroke. We discovered that the subunit composition determines VRAC’s permeation properties, with inclusion of LRRC8D enhancing the transport of various compounds, and LRRC8E that of glutamate. Our findings demonstrate that LRRC8 proteins form the pore of VRACs. Excitingly, LRRC8D-containing VRACs also transport the anti-cancer drug cisplatin and down regulation of LRRC8D confers tumor drug resistance. By impairing apoptotic cell volume decrease, disruption of VRAC impairs drug-induced apoptosis. The LRRC8 subunit composition determines the inactivation of VRAC currents and we identified relevant residues for this inactivation. In a major effort to uncover the physiological and pathological roles of VRACs, we generate and analyze multiple mouse models for various LRRC8 subunits. We disrupt Lrrc8a in a cell- and tissue-specific manner as the KO of LRRC8A, which completely abolishes VRAC function, is lethal. CLC chloride channels and transporters Proteins of the CLC gene family, discovered by us in 1990, reside in the plasma membrane and intracellular vesicles. We have generated KO mouse models for most CLCs and have identified related human diseases, yielding insights into their diverse physiological roles. Vesicular CLCs are Cl- / H+-exchangers, suggesting that they have functions beyond acidification of intracellular vesicles, as recently confirmed by mouse models in which we converted ClC-5 and ClC-7 into pure Cl- channels. We are now analyzing similar models for ClC-3. We functionally analyzed ClC-4 point mutations that were recently found in patients with epilepsy or mental retardation, a discovery that revealed an important CNS function of ClC-4.

We have previously shown that disruption of the plasma membrane Cl- channel ClC-2 leads to leukodystrophy, testicular degeneration, and retinal degeneration. We are now generating and analyzing cell type-specific ClC-2 KOs to better understand these pathologies that are also found in patients with CLCN2 mutations.

Anoctamin (TMEM16) Ca2+-activated chloride channels We have shown that Ano2 is the Ca2+-activated Cl- channel of olfactory sensory neurons, but surprisingly our Ano2-/- mice showed that Ano2 is dispensable for olfaction. Whereas the main olfactory epithelium expresses only Ano2, the vomeronasal organ (VNO), which is relevant for social interactions, also expresses Ano1. We are now studying conditional double KOs of both Ca2+-activated Cl- channels in the VNO.

KCNQ potassium channels We previously cloned and characterized the K+ channels KCNQ2-5, showed that mutations in KCNQ2 and 3 cause neonatal epilepsy, and that mutations in KCNQ4 cause a form of deafness. In collaboration with A. Ponomarenko and T. Korotkova we analyzed Kcnq5dn/dn mice in which channels containing KCNQ5 are inactivated. These studies showed that KCNQ5 is important for controlling synaptic inhibition and network activity. We have recently shown that KCNQ3 is also ex-pressed in extremely sensitive D-hair mechanoreceptors in the skin and modulates their sensitivity, complementing our previous work showing a similar role of KCNQ4 in rapidly adapting skin mechanoreceptors.

Potassium-chloride cotransporters We have previously analyzed constitutive KOs of the KCC K+-Cl-- cotransporters KCC1 – KCC4 and discovered unexpected roles in various tissues. Neuronal KCC2 lowers cytosolic Cl- concentration, a process needed for the inhibitory response to the neurotransmitters GABA and glycine. Using a mitral cell-specific Kcc2 KO we have now shown that KCC2-dependent synaptic inhibition in the olfactory bulb is crucial for discriminating closely related odors.


Fig. 1: Dual role of VRAC in anti-cancer drug sensitivity: (1) Uptake of

cisplatin / carboplatin and (2) facilitation of apoptosis by mediating apoptotic

volume decrease. Channels mediating drug uptake need both the LRRC8A

and LRRC8D subunits, whereas volume-regulatory channels require only

LRRC8A and any other LRRC8 subunit. For details, see Planells-Cases et al.,

EMBO J. 34, 2993-3008 (2015). Figure adapted from Jentsch, Nature Rev.

Mol. Cell Biol. 17, 293-307 (2016).

Gerd Krause, Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP), BerlinJens von Kries, Leibniz-Forschungsinstitut für Mole kulare Pharmakologie (FMP), BerlinTrese Leinders Zufall, Universität des Saarlandes, Homburg / SaarMarc Nazaré, Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP), BerlinAlexei Ponomarenko, Charité – Universitätsmedizin Berlin and FMP, BerlinDmytro Puchkov, Leibniz-Forschungsinstitut für Mole kulare Pharmakologie (FMP), BerlinChristian Rosenmund, Charité – Universitätsmedizin BerlinDietmar Schmitz, Charité – Universitätsmedizin BerlinBernd Wollnik, Universität GöttingenFrank Zufall, Universität des Saarlandes, Homburg / SaarWerner Zuschratter, Leibniz-Institut für Neurobiologie (LIN), Magdeburg

G R O U P M E M B E R S Dr. Kathrin Gödde Dr. Maja Hoegg-BeilerDr. Anna Oliveras Martínez Dr. Ian OrozcoDr. Rosa Planells-CasesDr. Sonali Saha Dr. Tobias Stauber Dr. Janis VogtDr. Felizia VossDr. Stefanie Weinert Dr. Joanna ZiomkowskaDr. Pingzheng Zhou Dr. Norma Nitschke (research coordinator)Sebastian Albrecht (doctoral student)Anja Blessing (doctoral student)Andreia Cruz e Silva (doctoral student)Tony Daubitz (doctoral student)Deborah Elger (doctoral student)Corinna Göppner (doctoral student)Karen López Cayuqueo (doctoral student) Jennifer Lück (doctoral student)Carmen Ludwig (doctoral student) Darius Lutter (doctoral student)Jonas Münch (doctoral student)Karina Oberheide (doctoral student)Maya Polovitskaya (doctoral student)Sebastian Schütze (doctoral student)Till Stuhlmann (doctoral student)Florian Ullrich (doctoral student)Carolin Backhaus (technical assistant)Anyess von Bock (technical assistant)Karolin Fuchs (technical assistant)Petra Göritz (animal care taker)Anika Günther (technical assistant) Johanna Jedamzick (technical assistant)Janet Liebold (technical assistant)Antje Maluck (technical assistant) Ruth Pareja-Alcaraz (technical assistant) Katrin Räbel (technical assistant)Patrick Seidler (technical assistant)Andrea Weidlich (technical assistant)

Staff employed within the reporting period

C O L L A B O R AT I O N S InternationalPiet Borst, Netherlands Cancer Institute, Amsterdam, The NetherlandsAlan Carleton, Université de Genève, SwitzerlandDominique Eladari, Faculté de Médecine, Université Paris-Descartes, FranceSven Rottenberg, Netherlands Cancer Institute, Amsterdam, The NetherlandsFrancisco Sepúlveda, CECS, Valdivia, ChileGuillermo Spitzmaul, INIBIBB, Bahía Blanca, ArgentinaChris de Zeeuw, Erasmus MC, Rotterdam and Netherlands Institute for Neuroscience, Amsterdam, The Netherlands

NationalUlrich Dirnagl, Charité – Universitätsmedizin BerlinMaik Gollasch, Charité – Universitätsmedizin BerlinHans-Jürgen Holdt, Universität PotsdamChristian Hübner, Universitätsklinikum JenaVera Kalscheuer, Max-Planck-Institut für Molekulare Genetik, BerlinUwe Kornak, Charité – Universitätsmedizin Berlin and Max-Planck-Institut für Mole kulare Genetik, BerlinTatiana Korotkova, Charité – Universitätsmedizin Berlin and FMP, BerlinEberhard Krause, Leibniz-Forschungsinstitut für Mole kulare Pharmakologie (FMP), Berlin


S E L E C T E D P U B L I C AT I O N S

Planells-Cases R, Lutter D, Guyader C, Gerhards N M, Ullrich F, Elger D A, Kucukosmanoglu A, Xu G, Voss F K, Reincke S M, Stauber T, Blomen V A, Vis D J, Wessels L F, Brummelkamp T R, Borst P, Rottenberg S*, Jentsch T J * (2015). VRAC channel composition determines its substrate specificity and cellular resistance to Pt-based anti-cancer drugs. EMBO J. 34, 2993 – 3008.

Fidzinski P, Korotkova T, Heidenreich M, Maier N, Schuetze S, Kobler O, Zuschratter W, Schmitz D, Ponomarenko A *, Jentsch T J * (2015). KCNQ5 K+ channels control hippocampal synaptic inhibition and fast network oscillations. Nature Commun. 6, 6254.

Schütze S, Orozco I J, Jentsch T J * (2016). KCNQ potassium channels modulate sensitivity of skin D-hair mechanoreceptors. J. Biol. Chem. 291, 5566 – 5575.

Ullrich F, Reincke S M, Voss F K, Stauber T, Jentsch T J * (2016). Inactivation and anion selectivity of volume-regulated VRAC channels depend on carboxy-terminal residues of the first extracellular loop. J. Biol. Chem. 291, 17040 – 17048.

Gödde K, Gschwend O, Puchkov D, Pfeffer C K, Carleton A *, Jentsch T J * (2016). Disruption of Kcc2-dependent inhibition of olfactory bulb output neurons suggests its importance in odour discrimination. Nature Commun. 7, 12043.

FMP authors

Group members

* corresponding authors

E X T E R N A L F U N D I N G

Prix Louis Jeantet, 04.2000 – 12.2016, 308.008 €

Deutsche Forschungsgemeinschaft, Exzellenzinitiative an der Humboldt- Universität zu Berlin, Projekt NeuroCure: “Towards a better outcome of central nervous system disorders”,- Innovation Project 2015: “Role of the volume-regulated anion channel

VRAC in hearing and deafness”, 01.2015 – 12.2015, 20.000 €; - Innovation Project 2016: “The volume-regulated anion channel VRAC

and the ventricular system”, 01.2016 – 12.2016, 20.000 €

Deutsche Forschungsgemeinschaft, SFB 740, C05, “Protein modules involved in vesicular acidification and trafficking: focus of CIC-6”, 01.2007 – 12.2010. Continued as: SFB 740 / 2, C05, “Funktionale Module in der endosomal-lysosomalen Ionenhomöostase und ihre Funktion” 01.2011 – 12.2014, 703.100 €. Continued as: SFB 740 / 3, C05, 01.2015 – 12.2018, 490.800 €.

Kcc2lox/lox

Kcc2lox/lox

MC-∆Kcc2

MC-∆Kcc2

Chance level

Ethyl valerate versus ethyl tiglate

Blocks of 20 trials

0.6/0.4% ethyl valerate/ethyl tiglate versus0.4/0.6% ethyl valerate/ethyl tiglate

Kcc

2ree

linD

AP

I

Fig. 2: Mitral cell-specific

disruption of the K+Cl-

cotransporter KCC2 in

the olfactory bulb (a)

entails the inability to

distinguish closely relat-

ed odors in behavioral

olfactometry experiments

(b). Taken from Gödde

et al., Nature Communi-

cations 7, 12043 (2016).

Deutsche Forschungsgemeinschaft, „Strukturelle Grundlagen und physiologische Funktion des Cl- / H+-Gegenaustausches bestim-mter CLC-Chloridtransportproteine”, ZD 58 / 1-1, with A. Zdebik, 07.2006 – 10.2010. Continued as: JE 164 / 9-2, 01.2011 – 07.2015, 320.500 €

Deutsche Forschungsgemeinschaft, „Der CIC-7 / Ostm1 Chlorid- transporter in Lysosomen und Osteoklasten”, JE 164 / 7-1, 01.2007 – 08.2010. Continued as: JE 164 / 7-2, 07.2011 – 12.2015, 669.000 €

Deutsche Forschungsgemeinschaft, „Funktionelle Charakterisierung ausgewählter Mitglieder der Anoctamin-Kanalfamilie”, JE 164 / 10-1, 05.2014 – 11.2018, 391.000 €

Deutsche Forschungsgemeinschaft, „Volumen-regulierter Anionen- Kanal VRAC und seine Rolle im Gehirn“, JE 164 / 12-1, 01.2016 – 12.2018, 433.500 €

Deutsche Forschungsgemeinschaft (Aufbau internationaler Kooperationen), „Untersuchung der Funktion der Kaliumkanäle KCNQ in den Augen anhand genetischer Mausmodelle“, JE 164 / 13-1, 07.2015 – 01.2017, 9.383 €

Europäischer Forschungsrat (7. Forschungsrahmenprogramm), “Ion homeostasis and volume regulation of cells and organelles (CYTOVO-LION)”, ERC-2011-ADG_294435, 04.2012 – 03.2017, 2.096.800 €

Bundesministerium für Bildung und Forschung (ERA-NET: E-Rare), “CLC chloride channels and Megalencephalic Leucoencephalopathy: molecular mechanisms and therapeutics”, 01GM1403, 06.2014 – 01.2018, 401.419 €

Leibniz-Gemeinschaft (Leibniz Wettbewerb 2014), “Role of proteostasis in cellular aging”, SAW-2014-FMP-2, with V. Haucke, H. Oschkinat, J.-P. von Kries, 06.2014 – 05.2017, 158.555 € (pro rata)

EMBO Long-Term Fellowship, Sonali Saha, 02.2016 – 01.2018, 75.816 €

Alexander von Humboldt Research Fellowship, Pingzheng Zhou, 08.2016 – 07.2018, 82.800 €

a b

Blocks of 20 trials

Co

rrec

t re

spo

nses

(%)

Co

rrec

t re

spo

nses

(%)

90% Criterion


M O L E C U L A R P H A R M A C O L O G Y A N D C E L L B I O L O G Y

M O L E K U L A R E P H A R M A K O L O G I E U N D Z E L L B I O L O G I E

G R O U P L E A D E RP R O F. D R . V O L K E R H A U C K E

S U M M A R Y

Membrane dynamics within the endocytic and endosomal system play crucial roles in cell physiology and membrane homeostasis, cell signaling and development, the functioning of the nervous system, and diseases such as cancer. Research within the department focuses on the molecular mechanisms of endocytic and endosomal membrane traffic using a wide arsenal of techniques that range from in vitro approaches to the in vivo analysis of cellular systems. We are particularly interested in the cycling of synaptic vesicles at neuronal synapses and its role in brain function and disease and in the physiological functions of inositol lipids. An important aspect of these studies is to determine how events at the molecular and subcellular levels translate into the functions of individual cells and of cellular networks within the context of an entire organism. To achieve this, we are developing molecular tools to dissect and manipulate exo-endocytic cycling and endosomal membrane dynamics using genetic, biochemical, and pharmacological approaches, and by further developing super- resolution imaging techniques. The long-term goal of our work is to unravel the molecular basis of endocytic and endosomal function and dysfunction, thereby opening new avenues for pharmacological interference.

Z U S A M M E N FA S S U N G

Dynamische Membranprozesse des endozytotischen und endosomalen Systems spielen eine entscheidende Rolle in der Zellphysiologie und Membranhomöostase, bei der Signalüber-tragung zwischen Zellen und der Zellentwicklung, für die Aktivitäten des Nervensystems und bei Krankheiten wie Krebs. Der Forschungsschwerpunkt unserer Abteilung liegt auf den molekularen Mechanismen des endozytotischen und endosomalen Membrantransports, die wir mit einem breiten Spektrum an Techniken, von in vitro Ansätzen bis zur in vivo-Analyse zellulärer Systeme, untersuchen. Besonders interessiert sind wir am Zyklus synaptischer Vesikel an neuronalen Synapsen und dessen Rolle bei der Gehirnfunktion und Erkran-kungen des Nervensystems sowie der physiologischen Funktion von Inositol-Lipiden. Ein wesentlicher Aspekt dieser Untersuchungen besteht darin, zu ermitteln, wie Ereignisse auf molekularer und subzellulärer Ebene in Funktionen einzelner Zellen und zellulärer Netzwerke innerhalb eines Gesamtorganismus übersetzt werden. Um dies zu erreichen, entwickeln wir mit Hilfe genetischer, biochemischer und pharmakologischer Ansätze und durch Weiterentwicklung hochauflösender bildgebender Verfahren molekulare Werkzeuge zur Analyse und Manipulation des Exo-Endozytose Zyklus synaptischer Vesikel sowie der endosomalen Membrandynamik. Das langfristige Ziel unserer Arbeit ist es, die molekularen Grundlagen der endozytotischen und endosomalen Funktion und Dysfunktion zu enträtseln und dabei neue Wege für pharmakologische Eingriffe zu eröffnen.

B I O G R A P H Y

1989 – 1994 Studied Biochemistry, Free University of Berlin and Biozentrum, University of Basel

1994 – 1997 PhD (summa cum laude), Department of Biochemistry (Prof. G. Schatz), Biozentrum, University of Basel

1997 – 1999 Postdoctoral fellow, Yale University School of Medicine and HHMI (Prof. P. De Camilli), New Haven

2000 – 2003 Independent group leader, Center for Biochemistry and Molecular Cell Biology, University of Göttingen

2003 – 2005 Professor of Membrane Biochemistry, Free University of Berlin

2005 – 2011 Full Professor and Chair (W3), Department of Membrane Biochemistry, Free University of Berlin

since 2007 Member of Neurocure Cluster of Excellence

2008 – 2010 Speaker, Collaborative Research Center (SFB) 449

2011 – 2012 Speaker, Collaborative Research Center (SFB) 958

since 2012 Director of the FMP, Head of the Department of Molecular Pharmacology & Cell Biology at the FMP, Full Professor of Molecular Pharmacology (S-W3), Institute of Pharmacy, Free University of Berlin

2014 Elected Member of the European Molecular Biology Organization (EMBO)

2016 Reinhart Koselleck-Grant Award of the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

2017 Avanti Award of the American Society for Biochemistry & Molecular Biology (ASBMB)


D E S C R I P T I O N O F P R O J E C T S

Research within the department is conducted within two subgroups (led by V. Haucke and M. Krauss) and covers three major areas: (i) the role of exo-endocytic and endolysosomal membrane dynamics in synapse function and neuronal development; (ii) the regulation of membrane homeostasis and cell signaling by phosphoinositides, and (iii) the function of septins scaffolds in membrane dynamics and organelle contacts. Together with the Core Facility “Cellular Imaging”, we also develop and use super-resolution light (e. g. multi-color STORM and 3D-gSTED, TIRF-SIM) and electron microscopy approaches for studying these processes.

Exo-endocytic and endolysosomal membrane dynamics in the functioning of synapses and in neuronal developmentNeurotransmission involves the calcium-triggered exocytic release of neurotransmitters from synaptic vesicles (SVs) at presynaptic active zones, followed by their endocytic recycling. Using mouse knockout technology, Drosophila mutants (with Stephan J. Sigrist, FU Berlin), and RNA interference in combination with optical imaging including optogenetics and electrophysiology, we aim to dissect the pathways and molecular mechanisms of SV recycling, regeneration, and axonal transport of SV precursor organelles. A key question in this regard is how exo- and endocytosis are coupled.

We have discovered that the endocytic protein AP180 acts as a governess that oversees sorting of the essential vesicular SNARE synaptobrevin 2. Loss of AP180 impairs neurotransmission and leads to excitatory / inhibitory imbalance and fatal epilepsies due to reduced copy numbers of synaptobrevin 2 in SVs. Further studies have shown that endocytic adaptors such as AP180 and its close relative CALM, a protein implicated in Alzheimer's disease, limit the diffusional spread of newly exocytosed SV proteins to prevent their loss into the axon. In our most recent work, we found that at physiological temperature SV endocytosis occurs on several timescales, ranging from less than a second to several seconds, and largely occurs via formin-mediated endocytosis independent of clathrin, whereas clathrin / AP-2 are required for SV reformation from internal structures.

Other ongoing studies have revealed unexpected novel endocytosis- independent roles in neuronal development for endocytic proteins such as AP-2 and intersectins, which regulate key signaling processes. Our studies have implications for the understanding and treatment of neurological disorders and for neurodegeneration.

Regulation of endocytic and endolysosomal membrane homeostasis and cell signaling by phosphoinositidesEukaryotic cells internalize nutrients, antigens, growth factors, pathogens, ion channels and receptors via endocytosis. We are interested in determining the exact function of endocytic adaptors and scaffolds, in-cluding lipid kinases and

research report 2015 / 2016 - leibniz-fmp.de€¦ · research report 2015 / 2016. scientific...

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