Wie greift ein altersassoziiertes Enzym auf unser Erbgut zu?

Neue Forschungsergebnisse geben Aufschluss darüber, wie ein Enzym, das hilft, den Alterungsprozess und andere Stoffwechselprozesse zu regulieren, auf unser genetisches Material zugreift, um die Genexpression innerhalb der Zelle zu modulieren. Ein Team unter der Leitung von Forschern der Penn State hat Bilder eines Sirtuin-Enzyms erstellt, das an ein Nukleosom gebunden ist – einen dicht gepackten Komplex aus DNA und Proteinen, die Histone genannt werden –, die zeigen, wie das Enzym durch den Nukleosomenkomplex navigiert, um sowohl auf DNA als auch auf Histonproteine ​​zuzugreifen, und klären, wie es funktioniert bei Menschen und anderen Tieren.

Ein Artikel, der die Ergebnisse beschreibt, erscheint am 14. April in der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritte.

Sirtuine sind eine Art Enzym, das in Organismen von Bakterien bis hin zum Menschen vorkommt und eine wichtige Rolle beim Altern, Erkennen von DNA-Schäden und Unterdrücken von Tumoren bei verschiedenen Krebsarten spielt. Aufgrund dieser vielfältigen Rollen erforschen Pharmaunternehmen ihr Potenzial für biomedizinische Anwendungen. Viele Anstrengungen haben sich auf die Fähigkeit einiger Sirtuine konzentriert, die Genexpression zu verringern, indem sie eine chemische Markierung von Histonproteinen entfernen.

„In unseren Zellen ist die DNA nicht nackt, wie wir sie in Lehrbüchern sehen; sie ist innerhalb eines großen Komplexes namens Nukleosom um Proteine ​​gewickelt, die Histone genannt werden“, sagte Song Tan, Verne M. Willaman-Professor für Molekularbiologie an der Penn State und Autor des Papiers. „Diese Verpackung kann auch Signale zum An- oder Abschalten von Genen beitragen: Das Hinzufügen einer chemischen ‚Acetyl‘-Flagge zum Histon-Verpackungsmaterial schaltet ein Gen ein, während das Entfernen der Acetyl-Flagge das Gen ausschaltet. Sirtuine können die Genaktivität zum Schweigen bringen, indem sie die entfernen Acetyl-Flag von Histonen, die in Nukleosomen verpackt sind. Zu verstehen, wie Sirtuine mit dem Nukleosom interagieren, um diese Flagge zu entfernen, könnte zukünftige Bemühungen zur Arzneimittelforschung beeinflussen.“

Frühere Studien konzentrierten sich darauf, wie Sirtuine isoliert mit kurzen Segmenten von Histonen interagieren, zum Teil, weil solche Histon-„Schwanz“-Peptide im Labor viel einfacher zu handhaben sind. Laut Tan ist das Nukleosom hundertmal größer als typische Histonpeptide, die in diesen Studien verwendet wurden, und daher viel komplizierter zu handhaben.

„Wir haben ein Sirtuin-Enzym namens SIRT6 auf seinem physiologisch relevanten Substrat sichtbar gemacht – dem gesamten Nukleosom“, sagte Jean-Paul Armache, Assistenzprofessor für Biochemie und Molekularbiologie an der Penn State und Autor der Veröffentlichung. „Und wir fanden heraus, dass SIRT6 mit mehreren Teilen des Nukleosoms interagiert, nicht nur mit dem Histon, wo die Acetyl-Flagge modifiziert werden soll.“

Mithilfe einer leistungsstarken Art der Bildgebung namens Kryo-Elektronenmikroskopie mit Instrumenten der Penn State Cryo-Electron Microscopy Facility, des National Cancer Institute und des Pacific Northwest Cryo-EM Center identifizierten die Forscher, wie sich SIRT6 auf dem Nukleosom positioniert, um es zu entfernen eine Acetylgruppe von der K9-Position auf dem Histon namens H3. Anschließende biochemische Experimente – in Zusammenarbeit mit dem Labor von Craig Peterson an der Chan Medical School der Universität von Massachusetts – halfen, ihre Ergebnisse zu bestätigen.

Die Forscher fanden heraus, dass SIRT6 über eine Art von Verbindung, die als „Arginin-Anker“ bezeichnet wird, an das Nukleosom bindet. Diese Art der Bindung – beschrieben von Tans Labor im Jahr 2014 – wird von einer Vielzahl von Proteinen verwendet, die auf einen besonders sauren Fleck auf der Oberfläche des Nukleosoms abzielen. In diesem Fall schmiegt sich ein strukturelles Merkmal von SIRT6, das als verlängerte Schleife bezeichnet wird, in eine Vertiefung im sauren Fleck, ähnlich wie ein Rohr, das in einem Graben sitzt.

„Der Arginin-Anker ist ein allgemeines Paradigma dafür, wie viele Chromatin-Proteine ​​mit dem Nukleosom interagieren“, sagte Tan. „Als wir den SIRT6-Arginin-Anker mutierten, wurde die Aktivität an der K9-Position stark beeinträchtigt, was eine entscheidende Rolle für den Arginin-Anker von SIRT6 unterstützt. Überraschenderweise beeinflusste diese Mutation auch die enzymatische Aktivität von SIRT6 an einer anderen Position, K56, die sich viel weiter entfernt befindet. “

Anstelle der Bindung von SIRT6 an das Nukleosom auf zwei verschiedene Arten, um auf die zwei verschiedenen Histonpositionen zuzugreifen, ist es möglich, dass SIRT6 auf eine Weise an den Zugang zu K9 bindet, die möglicherweise auch Zugang zu K56 bietet.

„SIRT6 bindet an ein teilweise unverpacktes Nukleosom, wobei die DNA vom Ende des Nukleosoms verdrängt wird“, sagte Armache. „Dies legt die K56-Position offen, und es ist möglich, dass SIRT6 sich im Wesentlichen nach unten neigen könnte, um diese Position zu erreichen. Wir möchten diese Hypothese in Zukunft validieren. Wir hoffen auch, zu erforschen, wie SIRT6 neben anderen Enzymen funktioniert, und seine Rolle besser zu verstehen als Reaktion auf DNA-Schäden.“