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Production and structural analysis of mitochondrial uncoupling protein 1

The aim is to produce the mitochondrial uncoupling protein 1 (UCP1) in E. coli for a subsequent NMR analysis and binding experiments. For more details, see below (in german).

Master thesis in collaboration with the labs of Prof. Martin Klingenspor, Molekulare Ernährungsmedizin, TUM School of Life Sciences and Antonella Di Pizio, Molecular Modeling, Leibniz-Institut für Lebensmittel-Systembiologie.

The aim is to produce the mitochondrial uncoupling protein 1 (UCP1) in E. coli for a subsequent NMR analysis and binding experiments. For more details, see below (in german).

Struktur-Funktion von Uncoupling Protein 1

Franz Hagn, Strukturelle Membranbiochemie, Dept. Bioscience, School of Natural Sciences

Antonella Di Pizio, Molecular Modeling, Leibniz-Institut für Lebensmittel-Systembiologie

Martin Klingenspor, Molekulare Ernährungsmedizin, School of Life Sciences

Die Prävalenz von Übergewicht und Adipositas steigt in den letzten Jahrzehnten weltweit kontinuierlich an. Mittlerweile sind zwei Drittel der Männer und die Hälfte der Frauen in Deutschland übergewichtig. Ein Viertel der Erwachsenen ist adipös (www.rki.de). Adipositas ist ein Risikofaktor für cardio-metabolische Erkrankungen wie Typ-2-Diabetes, Fettstoffwechselstörungen, Arteriosklerose, Herzinfarkt, zerebrale Gefäßerkrankungen und Bluthochdruck. Die Fettgewebe weisen eine hohe Plastizität und zelluläre Heterogenität auf, und nicht alle Fettzelltypen haben ungünstige metabolische Auswirkungen. So haben Menschen mit metabolisch aktiven braunen Fettgewebe ein geringeres Krankheitsrisiko. Im Gegensatz zu weißen Fettzellen, die als zentraler Energiespeicher des Körpers dienen, verbrennen braune Fettzellen Zucker und Fette in ihren für die Thermogenese spezialisierten Mitochondrien. Der mitochondriale Carrier Uncoupling Protein 1 (UCP1) spielt dabei eine zentrale Rolle. Dieser Carrier in der inneren Mitochondrienmembran entkoppelt das Elektronentransportsystem sowie den Sauerstoffverbrauch der Atmungskette von der ATP Synthese. Dadurch kann die Zellatmung mit maximaler Rate laufen und die chemische Energie der Zucker und Fette direkt in Wärme umgewandelt werden.

Der molekulare Mechanismus der Entkopplung und deren Regulation ist weitgehend ungeklärt. Freie Fettsäuren aktivieren UCP1, was ein Protonenleck in der inneren Mitochondrienmembran induziert und die entkoppelte Atmung stimuliert. Durch Bindung von Purinnukleotiden wird UCP1 hingegen inaktiviert. Zur Aufklärung der Mechanismen, die die Entkoppleraktivität regu- lieren, nutzen wir ein zelluläres Testsystem. Damit kann die Kinetik der UCP1 Aktivierung und Hemmung quantifiziert werden. Dieses System ist Grundlage, die Struktur-Funktion von UCP1 durch Mutagenese zu untersuchen. Ziel ist es, die Analyse und Modellierung der Struktur und Funktion von UCP1 zu vertiefen.

Methoden

Zellkultur, Klonierungen, site-directed mutagenesis, Erstellung stabiler Zelllinien, Quantifizierung und Lokalisation der UCP1 Expression in den Mitochondrien, Respirationsmessungen (high-resolution respirometry, extracellular flux analysis) zur Messung der Entkoppleraktivität.

Rekombinante Expresssion in E. coli, Aufreinigung und Rückfaltung von menschlichem und Maus UCP1. Biophysikalische Charakterisierung von rekombinantem UCP1 (CD, DSC, Fluoreszenz), Insertion von UCP1 in sog. lipid bilayer nanodiscs, Messung der Interaktion von UCP1 mit Fettsäuren und Purinnukleotiden (ITC, FP, NMR), multidimensionale NMR-Spektroskopie für die Strukturbestimmung und Messung der funktionellen intrinsischen Dynamik von UCP1.

Werkzeuge zur Vorhersage von Proteinstrukturen (z. B. Homologiemodellierung und Alpha-Fold), Modellierung der 3D-Struktur von UCP1 und Kartierung von Mutagenesepositionen, Bestimmung der Konformationszustände von UCP1. Klassische und erweiterte Simulationen der Molekulardynamik zur Bestimmung der strukturellen Veränderungen von UCP1 bei Aktivierung durch freie Fettsäuren und Inaktivierung durch Purinnukleotide.

Kontaktperson: Prof. Hagn, franz.hagn[ät]tum.de

Link: https://www.bio.nat.tum.de/membrane/home/