..
Suche
Hinweise zum Einsatz der Google Suche
Personensuchezur unisono Personensuche
Veranstaltungssuchezur unisono Veranstaltungssuche
Katalog plus

Forschung


Chitin_Lab

(Prof. Dr. Hans Merzendorfer)


Chitin ist ein weit verbreitetes Polymer aus N-Acetylglucosamin-Einheiten, das für die chemisch/pharmazeutische Industrie zunehmend an Bedeutung gewinnt. In der Natur findet sich dieses faserartige Molekül unter anderem in den Zellwänden von Pilzen und in mechanisch widerstandsfähigen Bioverbundstoffen wie den Panzern von Krebstieren und Insekten. Chitin lässt sich aber auch in der peritrophischen Matrix nachweisen, einer schleimartigen Pseudomembran im Verdauungstrakt von Invertebraten. Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit dem Metabolismus von Chitin bei Pilzen und Insekten. Dabei untersuchen wir mit molekularbiologischen und biochemischen Methoden die verschiedenen Proteine, die für die Biosynthese, Modifizierung und Degradation von Chitin benötigt werden. Daneben interessieren wir uns für die Wirkmechanismen von Inhibitoren der Chitinsynthese, die als Fungizide und Insektizide breite Verwendung finden.

Ein zentrales Enzym im Chitin-Metabolismus von Pilzen und Insekten ist die Chitinsynthase, eine membrangebundene Glycosyltransferase, welche die Zucker-Polymerisation katalysiert. Nachdem wir die Chitinsynthase erstmalig aus dem Mitteldarm von Insekten biochemisch gereinigt und charakterisiert haben, untersuchen wir nun sowohl ihre Struktur als auch die Regulation ihrer Aktivität,  die sich jedoch nicht vollends verstehen lässt, ohne intrazelluläre Prozesse zu berücksichtigen. Deswegen analysieren wir die Prozessierung und Sortierung relevanter Proteine auch in dem zellbiologischen Modellorganismus Saccharomyces cerevisiae, die Bäckerhefe, die Chitin für ihre Zellwand synthetisiert. Die Chitinsynthese ist ferner ein Angriffspunkt für Fungizide und Insektizide, die im Pflanzenschutz oder bei der Behandlung von Infektionskrankheiten eingesetzt werden können. Wir untersuchen dabei vor allem die Gruppe der Benzoylphenyl-Harnstoffe, da bislang nicht bekannt ist, wie diese seit langem eingesetzten Insektizide die Chitinsynthese hemmen. Der rostbraune Mehlkäfer, Tribolium castaneum, dessen Genom komplett sequenziert ist, dient uns dabei als Modellsystem, wobei wir genomische und proteomische Untersuchungsansätze verfolgen. Potenzielle Zielgene lassen sich in diesem Organismus zudem über RNA-Interferenz ausschalten, was die Analyse erheblich vereinfacht. Dies nutzen wir unter anderem auch dazu die Funktion der peritrophischen Matrix, die als eine Infektionsbarriere im Insektendarm fungiert und wichtige Funktionen bei der Kompartimentalisierung der Verdaaung besitz, zu untersuchen. Weitere Forschungsschwerpunkte in unserer Arbeitsgruppe sind Chymotrypsin-ähnliche Serinproteasen sowie ABC-Transporter, die in die Elimination von Insekten und ihrer Metabolite involviert sind, und somit zu Insektizidresistenzen beitragen.

ABCD

(A) In der Abbildung ist eine knospende Hefezelle gezeigt, wobei die intrazelluläre Lokalisation einer Chitinsynthase (Chs3) mit Hilfe des grün-fluoreszierenden Proteins sichtbar gemacht wurde. Für ihre Aktivität am Knospenhals wird die regulatorische Untereinheit Chs4 benötigt, die über CaaX-Prozessierung modifiziert wird. (B) 2D-Gelektrophorese von Proteinen aus dem larvalen Mitteldarm von Tribolium castaneum. Das 2D-Gel entstammt einer Untersuchung zur Veränderung des Mitteldarm-Proteoms nach Behandlung einem Insektizid aus der Gruppe der Benzoylphenyl-Harnstoffe. (C) Homologie-basiertes Strukturmodell einer Chymotrypsin-ähnlichen Protease aus der Häutungsflüssigkeit von Tribolium castaneum. Das aktive Zentrum ist blau, die Spezifitätstasche rot, ein Oberflächen-Loop orange und eine Glycosylierungsstelle (Pfeil) grün eingefärbt. Wir stellen diese Proteine rekombinant in Insektenzellen her, was uns ermöglicht ihre Spezifität nach ortsgerichteter Mutagenese zu analysieren. (D) Gefrierschnitt durch eine Tribolium-Larve. Die fixierten Schnitte wurden mit fluoreszierenden Farbstoffen gefärbt, um Zellkerne (blau), Aktinfilamente (rot) und Chitin-haltige Strukturen (grün) darzustellen.

 

Literaturauswahl

  • Jiang, X., Bao, H., Merzendorfer, H., and Yang, Q. (2019). Immune Responses of Mammals and Plants to Chitin-Containing Pathogens. Advances in experimental medicine and biology 1142, 61-81.
  • Steinfeld, L., Vafaei, A., Rosner, J., and Merzendorfer, H. (2019). Chitin Prevalence and Function in Bacteria, Fungi and Protists. Advances in experimental medicine and biology 1142, 19-59.
  • Muthukrishnan, S., Merzendorfer, H., Arakane, Y., and Yang, Q. (2019). Chitin Organizing and Modifying Enzymes and Proteins Involved In Remodeling of the Insect Cuticle. Adv Exp Med Biol 1142, 83-114.
  • Gohlke, S., Heine, D., Schmitz, H.P., and Merzendorfer, H. (2018). Septin-associated protein kinase Gin4 affects localization and phosphorylation of Chs4, the regulatory subunit of the Baker's yeast chitin synthase III complex. Fungal Gen Biol. 17, 11-20.
  • Vogt, S., Kelkenberg, M., Noll, T., Steinhoff, B., Schonherr, H., Merzendorfer, H., and Noll, G. (2018). Rapid determination of binding parameters of chitin binding domains using chitin-coated quartz crystal microbalance sensor chips. The Analyst 143, 5255-5263.
  • Albaum D., Broehan G., Muthukrishnan S., Merzendorfer H. (2017) Functional analysis of TcCTLP-5C2, a chymotrypsin-like serine protease needed for molting in Tribolium castaneum. Insect Biochem. Mol. Biol. 86, 20-28.
  • Gohlke S., Muthukrishnan S., Merzendorfer H. (2017) In vitro and in vivo studies on the structural organization of Chs3 from Saccharomyces cerevisiae. Intl. J. Mol. Sci. 18, pii: E702.
  • Kanost MR, Arrese EL, Cao X, Chen YR, Chellapilla S, et al. (2016) Multifaceted biological insights from a draft genome sequence of the tobacco hornworm moth, Manduca sexta. Insect Biochem. Mol. Biol. 76, 118-47.
  • Zhu K. Y., Merzendorfer H., Zhang W., Zhang J., Muthukrishnan S. 2016. Biosynthesis, Turnover, and Functions of Chitin in Insects. Annu. Rev. Entomol. 61, 177-96.
  • Merzendorfer H., Kelkenberg M., Muthukrishnan S. (2016) Peritrophic matrices: In Extracellular composite matrices in arthropods (Eds. Cohen E., Moussian B.), pp. 255-324. Springer Int. Publ. Switzerland
  • Kelkenberg M, Odman-Naresh J, Muthukrishnan S, Merzendorfer H. (2015) Chitin is a necessary component to maintain the barrier function of the peritrophic matrix in the insect midgut. Insect biochemistry and molecular biology 56:21-8.
  • Agrawal S., Kelkenberg M., Begum K., Steinfeld L., Williams C. E., Kramer K.J., Beeman R.W., Park Y., Muthukrishnan S., Merzendorfer H. (2014) Two essential peritrophic matrix proteins mediate matrix barrier functions in the insect midgut. Insect Biochem. Mol. Biol. 49, 24-34.
  • Broehan G., Kroeger T., Lorenzen M., Merzendorfer H. (2013) Functional analysis of the ATP-binding cassette (ABC) transporter gene family of Tribolium castaneum. BMC Genomics 14:6.
  • Merzendorfer H. 2013. Insect-derived chitinases. Adv. Biochem. Eng. Biotechnol. 136:19-50.
  • Merzendorfer H., Kim, H. S., Chaudari S. S., Kumari, M., Specht, C. A., Butcher, S., Brown, S. J., Manak, J. R., Beeman R.W. Kramer K.J., Muthukrishnan S. (2012) Genomic and proteomic studies on the effects of the insect growth regulator diflubenzuron in the model beetle species Tribolium castaneum. Insect Biochem. Mol. Biol. 42:264-276.
  • Meissner, D., Odman-Naresh, J., Vogelpohl, I., and Merzendorfer, H. (2010).A novel role of the yeast CaaX protease Ste24 in chitin synthesis. Mol. Biol. Cell 21, 2425-33.
  • Broehan, G., Arakane, Y., Beeman, R.W., Kramer, K.J., Muthukrishnan, S., and  Merzendorfer, H. (2010) Molecular analyses of chymotrypsin-like peptidases from Tribolium castaneum involved in digestion and molting. Insect Biochem. Mol. Biol. 40, 274-83.
  • Merzendorfer, H. (2009) Chitin: structure, function and metabolism. In “The sugar code: fundamentals in Glycoscience” (Ed. H.-J. Gabius), Wiley-VCH, Weinheim.
  • Maue, L., Meissner, D., and Merzendorfer, H. (2009) Purification of an active, oligomeric chitin synthase complex from the midgut of the tobacco hornworm. Insect Biochem. Mol. Biol. 39, 654-659.
  • Broehan, G., Kemper, M., Driemeier, D., Vogelpohl, I., and Merzendorfer H. (2008) Cloning and expression analysis of midgut chymotrypsin-like proteinases in the tobacco hornworm. J. Insect Physiol. 54, 1243-1252.
  • Broehan, G., Zimoch, L., Wessels, A., Ertas, B., and Merzendorfer, H. (2007) A chymotrypsin-like serine protease interacts with the chitin synthase from the midgut of the tobacco hornworm. J. Exp. Biol. 210, 3636-3643.

Buchempfehlung: