Ein Protein, das in Sichtweite verborgen ist, hilft den Zellen, ihre Flucht zu planen

Wenn sich eine Zelle auf die Teilung vorbereitet, muss sie ihre DNA, die auf ihre Chromosomen aufgeteilt ist, duplizieren und die Chromosomen so anordnen, dass jede neue Zelle einen vollständigen Satz erhält. Wenn die Chromosomen falsch sortiert werden, können die resultierenden Zellen mit der falschen Nummer oder dem falschen Satz funktionsgestört oder sogar krebsartig werden.

Da die Risiken so schwerwiegend sind, haben die Zellen starke Kontrollen entwickelt, um sicherzustellen, dass jede der Tochterzellen bei der Teilung die richtigen Chromosomen hat. Wenn die Maschinerie einer Zelle Fehler entdeckt, während sich die Zelle auf die Teilung vorbereitet, wird die Teilung angehalten, bis diese Fehler korrigiert sind.

Wenn die Teilung jedoch zu lange unterbrochen wird, ein Zustand, der als Arrest bezeichnet wird, stirbt die Zelle schließlich. Um diesem Schicksal zu entkommen, hat jede Art von Zelle einen anderen Timer, wie lange sie in Haft bleibt, bevor sie entkommt. Wenn der Timer abgelaufen ist, verlassen die Zellen den Prozess der Zellteilung, ohne ihn abzuschließen, und nehmen das Leben mit der doppelten Anzahl an Chromosomen wieder auf.

Forscher haben sich gefragt, welche Mechanismen bestimmen, wie lange eine Zelle in Arrest bleibt und wie sie es schaffen, ihr zu entkommen. Die Frage ist besonders wichtig im Zusammenhang mit Krebszellen, die sich frühzeitig aus dem Stillstand befreien können, um sich weiterzuentwickeln – indem sie ihre Chromosomensätze verändern – und gebräuchlichen Krebsmedikamenten widerstehen.

Neue Forschungsergebnisse von Iain Cheeseman, Mitglied des Whitehead Institute, und Mary-Jane Tsang, Postdoc, identifizieren eine Art und Weise, wie Zellen ihre Zeitschaltuhren für die Verhaftung einstellen. Der Schlüsselspieler ist eine bisher unentdeckte Variante eines bekannten Proteins, CDC20.

Was Cheeseman und Tsang entdeckten, wie veröffentlicht in Natur am 26. April, ist, dass Zellen alternative Versionen von CDC20 sowohl in voller Länge als auch in verkürzter Form produzieren und dass das Verschiebungsverhältnis dieser Versionen bestimmt, wann Zellen der Verhaftung entkommen.

Alternative Proteine ​​wie diese sind sehr schwer zu finden, da Zellen sie nicht so herstellen, wie es Forscher und gängige Analysewerkzeuge normalerweise suchen, aber Forscher wie Cheeseman erkennen allmählich ihre Verbreitung und Bedeutung für die Biologie.

„Indem wir die Daten auf neue Weise betrachteten, konnten wir dieses alternative Protein entdecken, das sich als zentral für einen sehr wichtigen Prozess in Zellen herausstellt“, sagt Tsang. „Das Protein war schon immer da, aber niemand wusste, dass man danach suchen sollte, weil die Zelle es nicht auf traditionelle Weise herstellt.“

CDC20 – also das Protein voller Länge – spielt eine bekannte Rolle bei der Zellteilung. Wenn am Kontrollpunkt keine Probleme festgestellt werden, bevor die Chromosomen auseinandergezogen werden, bindet CDC20 an einen molekularen Komplex namens Anaphase-Promoting Complex (APC/C) und aktiviert diesen, der wiederum die Endstadien der Zellteilung einleitet. Wenn ein Problem erkannt wird, hemmt ein Mechanismus, der als Spindle Assembly Checkpoint (SAC) bezeichnet wird, CDC20 und stoppt die Zellteilung.

Tsang entdeckte, dass CDC20 dank seiner bisher unentdeckten Alternativen eine weitere wichtige Rolle an diesem Kontrollpunkt spielt. Als Protein wird CDC20 gemäß einer in Boten-RNA enthaltenen genetischen Sequenz zusammengesetzt. Tsang fand jedoch heraus, dass die Maschinerie, die die CDC20-RNA in Protein übersetzt, manchmal den normalen Startpunkt überspringt und beginnt, den Anweisungen von einem von zwei inoffiziellen Startpunkten weiter unten in der RNA-Sequenz zu folgen, was dazu führt, dass alternative Kurzversionen des Moleküls erstellt werden. Diese kurzen Versionen unterscheiden sich in einem entscheidenden Punkt vom Protein in voller Länge: Sie werden nicht durch die SAC gehemmt. Das bedeutet, dass die Zelle sie nicht daran hindern kann, das APC/C zu aktivieren, selbst wenn Fehler vorliegen, die die Zellteilung stoppen sollten.

Dieser Unterschied zwischen den Versionen von CDC20 ermöglicht es den Zellen, einen Timer für die Festnahme einzustellen. Zu Beginn der Zellteilung wird das APC/C höchstwahrscheinlich von CDC20 in voller Länge gebunden, da Zellen mehr Protein in voller Länge produzieren als die Alternativen. Dies hält die Zellen reaktionsfähig auf das Signal, in den Arrest zu gehen.

Da die Zellen mehr Zeit in Haft verbringen, produzieren sie weiterhin alle Versionen von CDC20, aber sie bauen CDC20 in voller Länge schneller ab als die kürzeren Versionen. Das Verhältnis von langer zu kurzer CDC20 verschiebt sich zugunsten der kurzen Versionen. Schließlich verschiebt sich das Verhältnis so weit, dass das APC/C höchstwahrscheinlich durch kurzes CDC20 gebunden wird, was bedeutet, dass das SAC es nicht länger hemmen kann. An diesem Punkt läuft der Timer ab: Die Zellen aktivieren das APC/C und entkommen der Arretierung.

Der Arrest-Timer einer Zelle wird daher durch Faktoren bestimmt, die ihre Anfangskonzentrationen von CDC20 in voller Länge und kurzer Länge und die Geschwindigkeit, mit der sie sie herstellt und abbaut, beeinflussen, wie z. B. welche Maschinerie die Zelle für die Übersetzung von RNA aktiv hat. Diese Faktoren variieren von Zelltyp zu Zelltyp, daher haben unterschiedliche Zelltypen unterschiedlich lange Timer. Tsang merkt an, dass dies wahrscheinlich kein vollständiges Bild davon ist, wie Zellen ihre Timer einstellen – andere Moleküle als CDC20 können möglicherweise die Timer-Dauer beeinflussen – aber die Verschiebung des CDC20-Verhältnisses ist ein Schlüsselregulator des Prozesses.

Das Verständnis, wie Zellen ihre Timer einstellen, hilft zu erklären, warum einige Krebszellen bestimmten Krebsmedikamenten besser widerstehen. Medikamente, die wirken, indem sie Krebszellen im Stillstand einfangen (um sie dann zu töten), sind übliche Behandlungen für Brust-, Eierstock- und andere Krebsarten. Die Forscher fanden heraus, dass verschiedene Krebszelllinien unterschiedliche Verhältnisse von CDC20 voller Länge zu kurzem CDC20 aufwiesen. Dies korrelierte damit, wie lange die Zellen in Arrest verbrachten, bevor sie entkamen, und dementsprechend, wie wirksam festnahmeverursachende Drogen gegen sie waren.

Als Tsang außerdem CDC20 in voller Länge zu Zellen hinzufügte, die nur die kurze Version hatten, wurden die Zellen empfindlicher für die Medikamente. Diese Ergebnisse könnten nützlich sein, um vorherzusagen, ob Arrest-verursachende Medikamente bei einem bestimmten Patienten wirksam sind, und sie legen auch eine mögliche Strategie zur Sensibilisierung resistenter Krebszellen nahe.

Diese Arbeit hat den Fokus des Cheeseman-Labors auf die Suche nach anderen Proteinen verlagert, die sich vor aller Augen verstecken. Der Mechanismus, der es Zellen ermöglicht, kurze Varianten von CDC20 herzustellen, könnte dasselbe für viele andere Proteine ​​tun, und andere Mechanismen können ebenfalls Proteinvarianten erzeugen.

„Der unterschiedliche Umsatz dieser Formen von CDC20 schafft einen eleganten Timer für die Verhaftung, und wir hätten das nie gewusst, wenn Mary Jane CDC20 nicht auf eine Weise betrachtet hätte, an die niemand zuvor gedacht hätte“, sagt Cheeseman, der es auch tut der Herman und Margaret Sokol Professor für Biologie am Massachusetts Institute of Technology. „Diese Arbeit zeigt, dass es da draußen eine Welt der verborgenen Biologie gibt, die darauf wartet, entdeckt zu werden.“