Untersuchungen zur biologischen Funktion der kleinen GTPase Centaurin gamma in <em>Drosophila melanogaster</em>

Bewegungsmangel und ein Überangebot an kalorienreicher Nahrung haben dazu geführt, dass die globale Ausbreitung von metabolischen Erkrankungen wie Adipositas und Typ-2-Diabetes (T2D) in westlichen Kulturgesellschaften die Dimension einer Epidemie erreicht hat. Die Aufklärung der molekularen Mechanismen von Stoffwechselfunktionen wie Energiespeicherung und -mobilisierung ist von zentraler Bedeutung für das Verständnis der Ätiologie dieser Erkrankungen. Die Fruchtfliege Drosophila melanogaster ist ein ausgezeichnetes Modellsystem zur Entschlüsselung der molekularen Grundlagen von Stoffwechselprozessen. Viele grundlegende Stoffwechselfunktionen sind zwischen Vertebraten und Drosophila konserviert. Fliegen sind in der Lage ihre Menge an zirkulierenden Zuckern in der Hämolymphe zu modellieren und sie speichern überschüssige Nährstoffreserven in Form von Glykogen und Lipiden, welche sie bei Bedarf mobilisieren können. Durch eine kalorienreiche Diät können auch in Drosophila Phänotypen induziert werden, die Ähnlichkeit zu Adipositas und T2D aufweisen. Adipositas und T2D sind im Menschen mit einer Fehlregulation des Insulin-Signalweges assoziiert. Die Insulin-Signalkaskade ist im Tierreich hoch konserviert und spielt unter anderem eine essentielle Rolle bei der Regulation des Glukose-Stoffwechsels und bei Wachstums- und Größenkontrolle. Das Drosophila ArfGEF Steppke, ein Mitglied der Cytohesin-Familie von Guanin-Nukleotid-Austauschfaktoren, konnte vor einigen Jahren als Schlüsselkomponente des Insulin-Signalwegs identifiziert werden. ArfGEF Proteine vermitteln die Ablösung von gebundenem GTP an ArfGTPasen, die wiederum intrazelluläre Transportprozesse und die Struktur von Organellen kontrollieren. Gegenspieler der ArfGEF Proteine sind die ArfGAP Proteine, die die Hydrolyse von Arf-gebundenem GTP katalysieren. In einem Zellkultur-basierten RNAi Screen konnte in Vorarbeiten centaurin gamma (centg) als putatives ArfGAP im Insulinsignalweg von Drosophila identifiziert werden. Centaurine bilden eine Familie von Multidomänenproteinen und haben sowohl in Drosophila als auch in Säugern die gleiche, einzigartige Domänenstruktur. Mitglieder der Centg Proteinfamilie besitzen eine GTPase Domäne, eine PH Domäne, eine ArfGAP Domäne und Ankyrin Wiederholungsmotive. Im Rahmen dieser Arbeit sollte untersucht werden, ob das Drosophila centg Gen in vivo als Regulator des Insulin-Signalweges fungiert. Durch biochemische Untersuchungen konnte im ersten Teil der Arbeit nachgewiesen werden, dass Centg für eine funktionelle GTPase kodiert, die durch ihre interne GAP Domäne katalysiert wird. Zur Analyse der in vivo Funktion wurde mittels ends-out gene targeting eine knockout Mutante für centg generiert. centg-/- mutante Tiere sind homozygot lebensfähig. Sie zeigen jedoch im Vergleich zu anderen Regulatoren des Insulinsignalweges keinen Wachstumsphänotyp in den einzelnen Entwicklungsstadien und auch keine veränderte 4E-BP Expression. Außerdem weisen sie keine veränderte Sensitivität gegenüber Hungerbedingungen und keine Einschränkungen bei der Mobilisierung der Speicherlipide auf. Weiterhin zeigten Fütterungsexperimente mit hochkalorischem Futter, dass sich centg-/- Mutanten unter hochkalorischen Bedingungen stark verzögert entwickeln und exzessiv Speicherlipide akkumulieren, ähnlich wie dies bei T2D bzw. Adipositas vorkommt. Im Gegensatz dazu sind Centg1 knockout Mutanten der Maus, die mit hochkalorischem Futter gefüttert wurden, gegen ernährungsbedingte Adipositas und Insulinresistenz geschützt. Wenn das Drosophila centg-Gen nicht am Insulin-Signalweg beteiligt ist, welche Rolle erfüllt es dann? Expressionsstudien ergaben erste Hinweise darauf, dass centg eine wichtige Funktion im Nervensystem übernimmt. Imaging Analysen zeigen, dass centg-/- Mutanten bzw. Larven, die centg in den Körperwandmuskeln überexprimieren, Defekte an Motorneuronen beziehungsweise an Körperwandmuskeln aufweisen. In der Mutante innervieren 25 Prozent der Synapsen ihren Muskeln entweder an der falschen Stelle oder fehlen ganz. Außerdem ist die Morphologie von 25 Prozent der untersuchten Muskeln verändert. Die Überexpression in den Muskeln führt zu noch stärkeren Defekten. In 37% der Fälle führt die Überexpression zu Muskeldefekten und in 11% hat die Überexpression einen Einfluss auf die Synapse. Centg scheint somit eine Funktion in Motorneuronen und deren korrekter Interaktion mit den Muskeln zu übernehmen. Die generierten genetischen und biochemischen Werkzeuge werden es in der Zukunft ermöglichen, weitere Funktionen von centg z.B. bei Insulin-abhängigen Wachstumsprozessen im ZNS oder im Glutamatrezeptor-Signalweg zu untersuchen