Phosphatidylinositol 3-kinase γ

Die Phosphatidylinositol 3-Kinase gamma (PI3Kgamma) fungiert hauptsächlich als inositol- und isomerspezifische Kinase und produziert membranständige Botenstoffe indem sie die Phosphorylierung der 3’-OH Position am Inositolring ihrer Phospholipidsubstrate katalysiert. Ihre phosphorylierten Reaktionsprodukte regulieren eine Vielzahl an elementaren zellulären Prozessen wie Zellproliferation, Endo- und Exocytose. Der Prozeß der Lipidsubstraterkennung für die PI3Kgamma bzw. der Membranrekrutierung aus dem Cytosol ist teilweise unklar. Die vorliegende Arbeit untersucht die Wechselwirkung der PI3Kgamma mit Modellen von Membranoberflächen. Dabei werden sowohl die in die Wechselwirkung involvierten Proteinstrukturen identifiziert, als auch die für die Interaktion erforderlichen Struktureigenschaften der Membranen definiert. Die ersten Kapitel der Arbeit befassen sich mit der physikochemischen Charakterisierung der Phospholipidsubstrate der PI3Kgamma, den Phosphoinositiden und deren Einfluß auf ihre Lipidumgebung innerhalb der Modelmembranen. Die sorgfältige Analyse des Lipidphasenverhaltens bzw. des entsprechenden lateralen Packungsverhaltens als Funktion der ionischen Umgebung war wichtig, um die durch die PI3Kγ katalysierte Phosphorylierungsreaktion in einen membranphysiologischen Zusammenhang zu bringen. Diese Untersuchungen ergaben eine ladungsabhängige Entmischung der Phosphoinositide. Die ionische Umgebung der Phospholipidkopfgruppe zeigte einen starken Einfluss auf das Phasenverhalten der Phosphoinositide. Einwertige Kationen hatten einen expandierenden Einfluss bei niedrigen und einen kondensierenden Einfluss bei hohen Ladungsdichten. Zweiwertige Kationen hatten stets einen kondensierenden Einfluss. Die molekularen Flächen der Phospholipide ergaben sich als relevant für die Wechselwirkung mit der PI3Kgamma. Die PI3Kgamma wurde bezüglich ihrer Wechselwirkung sowohl mit Substrat- als auch mit Nichtsubstratlipiden untersucht. Das Protein interagierte mit allen anionischen Phospholipiden in flüssig expandierter Phase, und im Fall der Substrate konnte eine phasenunabhängige Wechselwirkung gefunden werden. Dennoch zeigte sich auch hier eine Präferenz für die ungeordneten, flüssig expandierten Phasenzustände. Eine hydrophobe Wechselwirkung wurde ausschließlich für das 1-sn-Stearoyl-2-sn-arachidonoyl- Fettsäurekettenmotiv (SA) gefunden. Für die Phosphoinositide wurde eine Protein-induzierte Protonierung der geladenen Phosphate beobachten. Diese Wechselwirkungen beeinflußten daher ebenfalls den Phasenzustand der Lipide. Die vorliegende Arbeit zeigt, daß die PI3Kgamma nicht einfach Phospholipidkopfgruppen phosphoryliert, sondern mittels dieser Phosphorylierung das Misch- und Phasenverhalten der Lipide verändert. Sie verschiebt die pKa Werte der ionisierbaren Kopfgruppen und beeinflußt somit lokal die Ladungsdichte der inneren Membran. Daher wird abschließend ein Model vorgestellt, wie die PI3Kgamma durch die beschriebenen Effekte die Formation von Wasserstoffbrückennetzwerken bzw. die Komplexformation mit divalenten Gegenionen begünstigt. Dieses Modell stellt einen möglichen Mechanismus vor, wie lokal angereicherte Phosphoinositide auf der Innenseite der Plasmamembran ohne die Assistenz weiterer Proteine stabilisiert werden könnten.