Forschungsschwerpunkt unseres Instituts ist die Aufklärung der Struktur-Funktionsbeziehungen in Membranproteinen, insbesondere Ionenkanälen, mittels molekularbiologischer, elektrophysiologischer, mikroskopischer und mathematischer Methoden. Unser Hauptinteresse gilt CNG- und HCN-Kanälen, spannungsgesteuerten Natriumkanälen, sowie P2X-Kanälen und metabotropen Glutamat-Rezeptoren. Die wissenschaftliche Zusammenarbeit innerhalb des SFB/TRR 166 „ReceptorLight“ sowie innerhalb der Forschungsgruppe FOR 2518 „DynIon“ wurde vertieft. Seit Juli 2020 wird DynIon erfolgreich in der 2. Förderperiode weitergeführt. Im Bereich der Vorklinik unterrichten wir zusammen mit dem Institut für Physiologie I das Fach Physiologie.

Prof. Dr. Klaus Benndorf
Nonnenplan 9
07743 Jena

Institut für Physiologie 2

Forschungsprojekte

Untersuchungen zur Funktion der Bindungsdomäne für zyklische Nukleotide für die Aktivierung von HCN-Kanälen

Projektleiter: Dr. Jana Kusch, Prof. Dr. Klaus Benndorf
DFG 2017-2023

Im Rahmen dieses Projektes untersuchen wir die Funktion des C-Linkers und der Bindungsstelle für zyklische Nukleotide (CN) in HCN- (hyperpolarization-activated and cyclic-nucleotide modulated) Kanälen von Säugern. Wir setzen die konfokale Patch-Clamp-Fluorometrie (cPCF) ein, die elektrophysiologische Techniken und konfokale Fluoreszenzmikroskopie miteinander kombiniert. Die Daten werden in Zusammenarbeit mit Holger Gohlke (Universität Düsseldorf) mit Hilfe von MD-Simulationen kinetisch interpretiert.

Homepage der DFG-Forschungsgruppe DynIon

Kinetische Charakterisierung metabotroper Glutamatrezeptoren

Projektleitung: Prof. Dr. Klaus Benndorf
DFG (SFB/TR 166) 2015-2020

Metabotrope Glutamatrezeptoren (mGluRs) sind G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR), die obligatorisch Dimere formen. Wir haben die Kinetik dieser Rezeptoren mit FRET in isolierten Membran-Patchs mit schnellen Konzentrationssprüngen charakterisiert. Dabei konnten wir für mGluR1 zeigen, dass die Glutamat-abhängige Kinetik nahezu die Geschwindigkeit von Rhodopsin erreicht. Die Studie wurde auf alle acht bekannten mGluR–Isoformen erweitert. Zusätzlich wird getestet, inwieweit diese funktionell aktive Hetero-Dimere formen.

Neue Ansätze zur Untersuchung der Signalkette des spannungsabhängigen Gatings im Selektivitätsfilter von K+-Kanälen

Projektleiter: Prof. Dr. Indra Schröder

DFG (FOR DynIon) 2020-2023

Der Selektivitätsfilter von Kaliumkanälen hat eine duale Funktion, indem er Ionensorten erkennt und gleichzeitig als physiologisches Gate fungiert. Anhand minimaler viraler Modell Kaliumkanäle (Kcv) untersuchen wir mit einer Kombination von Experimenten in künstlichen Membranen und modellgestützten Analysen, die Strukturdaten berücksichtigen, wie die Ionen innerhalb des Selektivitätsfilters und verschiedene Mutationen dieses Gate modulieren. Das Projekt ist Teil der DFG Forschungsgruppe 2518 ´DynIon´.

Spannungsgesteuerte Ionenkanäle und ihre Bedeutung für kardiale Erregungsprozesse

Projektleiter: apl. Prof. Dr. Thomas Zimmer

Wir beschäftigen uns mit den molekularen Ursachen von Erregungsprozessen im gesunden und erkrankten Herzen. Im Mittelpunkt stehen dabei optogenetische, molekularbiologische und elektrophysiologische Untersuchungen zur Bedeutung verschiedener Ionenkanäle für das kardiale Aktionspotential, die Erstellung von Genotyp-Phänotyp-Korrelationen bei Ionenkanalerkrankungen sowie Untersuchungen zum therapeutischen Effekt klinisch relevanter Antiarrhythmika.

Einsatz von cGMP-Analoga zur selektiven Modulation von Stäbchen- und Zapfen-CNG-Kanälen: Perspektiven für die Behandlung von Retinitis pigmentosa

Projektleiterin: Dr. Vasilica Nache
DFG 2020 - 2023

Retinitis pigmentosa ist die häufigste Form der vererbten Netzhautdegeneration und durch einen fortschreitenden Sehverlust gekennzeichnet. Derzeit gibt es keine medikamentöse Therapie. Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung und funktionelle Charakterisierung von selektiven Modulatoren für retinale zyklische Nukleotid-gesteuerte Kanäle (CNG). Außerdem soll das therapeutische Potenzial dieser Substanzen bei degenerativen Erkrankungen der Netzhaut, die durch eine Störung der zellulären cGMP-Homöostase gekennzeichnet sind, untersucht werden.

Weitere Projekte

Direkte Visualisierung der Bindungskooperativität von HCN-Rezeptoren

Projektleitung: Dr. Ralf Schmauder, Prof. Dr. Klaus Benndorf

seit 2020
Bayesianische Analyse von Ionenkanalkinetiken anhand von Patch-Clamp- oder konfokalen Patch-Clamp-Daten

Projektleitung: Dr. Ralf Schmauder, Prof. Dr. Klaus Benndorf

seit 2020

Ausgewählte Publikationen

Sattler, C., Eick, T., Hummert, S., Schulz, E., Schmauder, R., Schweinitz, A., Unzeitig, C., Schwede, F., and Benndorf, K. (2020) Unravelling the intricate cooperativity of subunit gating in P2X2 ion channels Sci. Rep. 10, 21751
Walther, F., Feind, D., vom Dahl, C., Müller, C.E., Kukaj, T., Sattler, C., Nagel, G., Gao, S., and Zimmer, T. (2020) Action potentials in Xenopus oocytes triggered by blue light J. Gen. Physiol. 152, e201912489
Sattler, C., Schmauder, R., Schwabe, T., Schweinitz, A., Unzeitig, C., Schwede, F., Otte, M., and Benndorf, K. (2020) Relating ligand binding to activation gating in P2X2 receptors using a novel fluorescent ATP derivative J. Neurochem. 154, 251-262
Leypold, T., Bonus, M., Spiegelhalter, F., Schwede, f., Schwabe, T., Gohlke, H., and Kusch, J. (2019) N6-modified cAMP derivatives that activate protein kinase A also act as full agonists of murine HCN2 channels. J. Biol. Chem. 294, 17978-17987
Grushevskyi, E. O., Kukaj, T., Schmauder, R., Bock, A., Zabel, U., Schwabe, T., Benndorf, K., and Lohse, M. J. (2019) Stepwise activation of a class C GPCR begins with millisecond dimer rearrangement Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 116, 10150-10155

Herausragende Leistungen

Das Institut richtete 2019 das Internationale Symposium im Rahmen des SFB/TRR 166 – ReceptorLight aus.

PD Dr. Indra Schröder konnte 2020 erfolgreich eine Förderung im Heisenberg-Programm der DFG einwerben. Sie wurde 2021 auf eine Heisenberg-Professur berufen.