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Kay Grünewald

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Strukturelle Zellbiologie der Viren

„Forschung am CSSB verfolgt einen integrativen strukturbiologischen Ansatz, der die Ergebnisse eines breiten Spektrums an innovativen Imaging-Technologien und -Methoden kombiniert, und so eine breite Palette von Auflösungsskalen – typischerweise vom atomaren bis zellulären Bereich – abdeckt, um die grundlegenden Mechanismen von Infektionsprozessen mechanistisch zu verstehen. Neben den räumlichen Informationen ist dabei die Analyse der Dynamik der molekularen Interaktionsnetze bei Infektionen entscheidend. Nur in der Kombination ergibt sich ein vollständiges Bild der Host-Pathogen-Interaktionen und ihrer gemeinsamen Prinzipien.“

Kay Grünewald, CSSB Group Leader

Bisherige und aktuelle Forschung
Zellen bilden die kleinsten autonomen Einheiten des Lebens. Supramolekulare Komplexe führen alle wesentlichen zellulären Funktionen und Prozesse aus und sind gleichzeitig auch die grundlegenden Strukturelemente von Zellen. Die streng regulierte strukturelle und funktionelle Organisation einer Zelle auf dieser Ebene ist derzeit nur rudimentär verstanden. Eine umfassende Analyse dieser Organisation und ihrer dynamischen Veränderungen erfordert methodische Ansätze, die es erlauben, diese Komplexe in ihrer natürlichen Umgebung zu studieren. Wir verwenden dazu die Kryo-Elektronentomographie (KryoET) in Kombination mit anderen Techniken, um ausgewählte Aspekte dieses hochgeordneten Netzwerks zu untersuchen und Proteinkomplexe in situ zu analysieren. Die Probenvorbereitung durch schnelles Einfrieren, unter Ausbildung amorphen Eises, sorgt für einen ausgezeichneten Strukturerhalt bis zum atomaren Detail.

Die Arbeitsgruppe hat die Anwendung der Kryo-Elektronentomographie zur Strukturanalyse pleomorpher Viren wesentlich vorangetrieben. Beispiele sind die Aufklärung der dreidimensionalen supramolekularen Organisation für Herpes-, Retro- und Bunyaviren. Als nächstes konzentrierten wir uns auf die Zellbiologie der Virusinfektion. Das Verständnis der Gesamtheit eines viralen „Lebenszyklus“ erfordert das Verständnis seiner verschiedenen transienten Strukturen und Zustände auf molekularer Ebene. Das Ziel ist ein umfassendes Bild der funktionalen Interaktionen zwischen viralen Proteinkomplexen und Zellstrukturen im Verlauf der Infektion. Viren dienen dabei auch als dedizierte Werkzeuge, um molekulare Details zellulärer Abläufe zu entschlüsseln. Viren sind z.B. in der Lage, den Zelleintritt auf physiologischem Wege zu vollziehen und sind außerdem unter den zahlreichen anderen Strukturen innerhalb des Zytoplasmas der Wirtszelle gut unterscheidbar. Dies gibt uns die Möglichkeit, dynamische zelluläre Prozessen besser zu verfolgen.

Die Kryo-Elektronenmikroskopie bietet eine hervorragende Plattform für die Kombination mit anderen Ansätzen, wie z.B. biochemischen und Röntgen-kristallographischen Untersuchungen sowie der Integration dieser Informationen mit nativen subzellulären Strukturinformationen. Angetrieben von unseren biologischen Fragen sind wir an verschiedenen Methodenentwicklungen beteiligt. Diese beinhalten z.B. die Kombination der zellulären und molekularen KryoET mit Einzelpartikel-Ansätzen, oder ausgebauter Fluoreszenz-(Kryo-)Mikroskopie oder Röntgen-Kryo-Mikroskopie / -Tomographie, typischerweise in einem korrelativen Ansatz. Weiter arbeiten wir auch an der besseren Integration mit Protein-Protein-Interaktionsdaten (z.B. aus der Massenspektrometrie) und ‚molecular dynamics’ Simulationen.


Ausgewählte Publikationen:

Stoeber M., et al. (2016) Model for the architecture of caveolae based on a flexible, net-like assembly of Cavin1 and Caveolin discs. PNAS 113(50): E8069-E8078.
 
Ashford P. et al. (2016) HVint: A strategy for identifying novel protein-protein interactions in herpes simplex virus type 1. Mol Cell Proteomics 15(9): 2939-53.
 
Zeev-Ben-Mordehai T., et al. (2016) Two distinct trimeric conformations of natively membrane-anchored full-length herpes simplex virus 1 glycoprotein B. PNAS 113(15): 4176-81.

Zeev-Ben-Mordehai T., et al. (2015) Crystal Structure of the Herpesvirus Nuclear Egress Complex Provides Insights into Inner Nuclear Membrane Remodeling. Cell Rep. 13(12): 2645-52

Hagen C., et al. (2015) Structural Basis of Vesicle Formation at the Inner Nuclear Membrane. Cell 163(7): 1692-701.



Picture: © Marta Mayer
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