AG Vierock
Nachwuchsgruppe Subzelluläre Optogenetik
Wir entwickeln und erforschen neue Methoden zur Steuerung molekularer Prozesse durch Licht.
Motivierte Studenten sind jederzeit willkommen! Bei interesse schreibt an: johannes.vierock (at) charite.de
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Forschung
Das Gehirn des Menschen besteht aus Milliarden von Zellen, deren spezielle Verschaltung, Interaktion und Aktivität die Grundlage unseres Denkens und Fühlens bilden. Untereinander unterscheiden sich die verschiedenen Zellen sowohl im Aufbau als auch im Zusammenspiel ihrer subzellulären Komponenten stark, und bereits kleinste Störungen können zu schwerwiegenden neurodegenerativen Erkrankungen führen. Um diese Prozesse besser verstehen zu können, bedarf es genauer Methoden, die molekulare Prozesse im Inneren der Zelle zeit- und ortsgenau darstellen und anstoßen können.
In der Optogenetik erreichen wir das mit hoher räumlicher und zeitlicher Präzision durch Licht. Die Expression hochspezialisierter Proteinkomplexe, sogenannter Photorezeptoren, ermöglicht es, einzelne Prozesse wie zum Beispiel den Kaliumstrom über die Zellmembran, den Protonentransport in subzelluläre Organellen oder die lokalen Fluktuationen sekundärer Botenstoffe genau durch Licht zu steuern. Die Natur stellt hierfür eine Vielzahl von Lichtsensoren zur Verfügung, welche wir biophysikalisch im Labor untersuchen und durch gezielte molekularbiologische Änderungen noch besser an ihre geplante Aufgabe in Grundlagenforschung und Medizin anpassen.
Subzelluläre Optogenetik
Durch die Kombination von Lichtsensoren mit endogenen Proteinsequenzen als Signalmotiv können Photorezeptoren innerhalb der Zelle gezielt an verschiedenen Wirkungsorten exprimiert werden. In unserer Forschung interessieren wir uns besonders für die pH- und Spannungsregulation von subzellulären Organellen, deren Bedeutung für das zelluläre Altern, die Entstehung neurodegenerativer Erkrankungen wie Parkinson oder Alzheimer sowie für das Wachstum von Karzinomen durch die Entwicklung neuer optogenetischer Werkzeuge genauer untersucht werden können und es dadurch ermöglichen, gezielter neue Therapien zu entwickeln.
Neue Licht-aktivierte Ionenkanäle
Für unsere Forschung bedienen wir uns einer Kombination molekularbiologischer, elektrischer, fluoreszenzmikroskopischer und spektroskopischer Methoden, um die als subzelluläre Lichtschalter verwendeten Kanäle und Transporter besser zu verstehen. Die meisten bekannten lichtaktivierten Ionenkanäle gehören zur Proteinfamilie der Kanalrhodopsine, in denen der Lichtsensor und die ionenleitende Pore in einem einzelnen Retinal bindenden Siebentransmembranhelixprotein vereint vorliegen. Trotz ähnlichem Aufbau unterscheiden sich verschiedene Kanalrhodopsine erheblich in ihrer Ionenselektivität, und neue Kanäle mit einer unerwartet hohen Selektivität für Natrium und Kalium wurden erst vor kurzem entdeckt. Bestrhodopsine beschreiben schließlich eine komplett neue Kanalfamilie, in welcher die räumliche Trennung von Lichtsensor und Kanal die Absorption von fernrotem Licht ermöglicht.
Neue optogenetische Werkzeuge
Durch gerichtete Mutagenese und die Klonierung von Chrimären und Fusionskonstrukten versuchen wir schließlich neu entdeckte Photorezeptoren und Kanäle weiter zu verbessern und für neue optogenetische Anwendungen zu erschließen. Besondere Forschungsanliegen sind uns hierbei: 1. Fernrot absorbierenden Proteinen, da rotes Licht tiefer in biologisches Gewebe eindringt und weniger phototoxisch ist und wenig mit den Anregungsspektren anderer Sensoren überlappt. 2. Neue lichtaktivierte Kalium-, Natrium- und Kalziumkanäle für die gezielte Änderung von Membranspannung und Signalwegen in neuronalen Kompartimenten und subzellulären Organellen. 3. Die Kombination unterschiedlicher Kanäle, Transporter und Sensoren verschiedener Anregungswellen für die Kombination verschiedener Photorezptoren zur gleichzeitigen Kontrolle unterschiedlicher Signalwege und der Etablierung von Feedbackschleifen für rein optische Versuche.
Eine Auswahl unserer neuesten Vektoren und Viren können direkt über AddGene sowie die Charite Virus Core Facility bezogen werden
- BiPOLES - Bidirectional pair of opsins for light controllled exctiation and inhibition with red and blue light - Plasmide - Virus
- WiChR - Highly selective and blue light activated K+ channel - Plasmide - Virus
Weitere Kanäle und Plasmide wie z.B.: ChrimsonS, ChrimsonSA usw. teilen wir gerne auf Anfrage.
Team
Ausgewählte Publikationen
WiChR, a highly potassium-selective channelrhodopsin for low-light one-and two-photon inhibition of excitable cells J Vierock*, E Peter*, C Grimm*, A Rozenberg, I-W Chen, L Tillert, A Castro Scalise, M Casini, S Augustin, D Tanese, B Forget, R Peyronnet, F Schneider-Warme, V Emiliani, O Béjà, P Hegemann - Science Advances, 2022
Calcium-permeable channelrhodopsins for the photocontrol of calcium signalling R Fernandez Lahore, N Pampaloni, E Peter, M Heim, L Tillert, J Vierock, J Oppermann, J Walther, D Schmitz, D Owald, A Plested, B Rost, P Hegemann - Nature Communications, 2022
Optogenetics for light control of biological systems V Emiliani, E Entcheva, R Hedrich, P Hegemann, K Konrad, C Lüscher, M Mahn, Z Pan, R Sims, J Vierock, O Yizhar - Nature Reviews Methods Primers, 2022
Rhodopsin-bestrophin fusion proteins from unicellular algae form gigantic pentameric ion channels A Rozenberg*, I Kaczmarczyk*, D Matzov*, J Vierock*, T Nagata, M Sugiura, K Katayama, Y Kawasaki, M Konno, Y Nagasaka, M Aoyama, I Das, E Pahima, J Church, S Adam, V Borin, A Chazan, S Augustin, J Wietek, J Dine, Y Peleg, A Kawanabe, Y Fujiwara, O Yizhar, M Sheves, I Schapiro, Y Furutani, H Kandori, K Inoue, P Hegemann, O Beja, M Shalev-Benami - Nature Structural & Molecular Biology, 2022
BiPOLES is an optogenetic tool developed for bidirectional dual-color control of neurons J Vierock*, S Rodriguez-Rozada*, A Dieter, F Pieper, R Sims, F Tenedini, A Bergs, I Bendifallah, F Zhou, N Zeitzschel, J Ahlbeck, S Augustin, K Sauter, E Papagiakoumou, A Gottschalk, P Soba, V Emiliani, A Engel, P Hegemann, J Wiegert - Nature communications, 2021
Unifying photocycle model for light adaptation and temporal evolution of cation conductance in channelrhodopsin-2 J Kuhne*, J Vierock*, S Alexander Tennigkeit, M Dreier, J Wietek, D Petersen, K Gavriljuk, S El-Mashtoly, P Hegemann, K Gerwert - PNAS, 2019
Crystal structure of the red light-activated channelrhodopsin Chrimson K Oda*, J Vierock*, S Oishi, S Rodriguez-Rozada, R Taniguchi, K Yamashita, J Wiegert, T Nishizawa, P Hegemann, O Nureki - Nature communications, 2018
The microbial opsin family of optogenetic tools F Zhang*, J Vierock*, O Yizhar, L Fenno, S Tsunoda, A Kianianmomeni, M Prigge, A Berndt, J Cushman, J Polle, J Magnuson, P Hegemann, K Deisseroth - Cell, 2011
Eine vollständige Publikationsliste finden sie hier link.
