Neues „Radar“ erkennt aktive Zellzerstörer

Zellen im menschlichen Körper müssen ihren Proteinhaushalt an bestimmte Situationen anpassen, etwa an die Eisenverfügbarkeit oder eine Infektion. Diese Anpassungen erfolgen durch einen komplexen Prozess, bei dem nicht mehr benötigte oder toxische Proteine ​​durch Anheften eines kleinen Proteins namens Ubiquitin zur Zerstörung markiert werden. Diese Markierung eines Proteins zur Zerstörung durch Markierung mit Ubiquitin wird durch Cullin-RING-Ligasen, kurz „CRLs“, durchgeführt. Daher können CRLs als „Zerstörer“ spezifischer Proteinmoleküle betrachtet werden.

Insgesamt stellen die CRLs mit mehr als 300 Mitgliedern die größte Sammlung von Ubiquitin-Tagging-Maschinen dar. Forscher Lukas Henneberg erklärt: „Man kann sich vorstellen, dass die 300 verschiedenen CRLs in einer Zelle wie eine Flotte von Zerstörern sind, von denen jeder ein anderes Ziel angreifen könnte. Wenn eine Zelle einem Anstieg von Eisen oder einer Infektion ausgesetzt ist.“ Bakterien müssen die Proteine ​​zerstört werden, die das Eisen weiter auf toxische Werte ansteigen lassen oder die verhindern würden, dass die Immunantwort die Infektion heilt. Solche Proteine ​​sind das Ziel der CRL-Zerstörer.“

Es ist jedoch unbekannt, welche der 300 verschiedenen CRLs an der Anpassung an viele verschiedene zelluläre Bedingungen beteiligt sind, da es bisher schwierig war, zu erkennen, welche spezifischen Zerstörer in der Flotte zu einem bestimmten Zeitpunkt eingeschaltet sind.

Die Flotte der CRLs segelt im Wesentlichen im Meer im Inneren der Zelle herum, wobei jedes einzelne auf ein Signal wartet, dass es benötigt wird. Wenn das Signal auftritt, wird die benötigte CRL vorübergehend durch Anlagerung eines anderen Proteins namens NEDD8 eingeschaltet. Sobald die zerstörerische Wirkung der CRL nicht mehr benötigt wird, wird die CRL durch Entfernen von NEDD8 ausgeschaltet.

Die Forscher aus den Laboren von Brenda Schulman, Max-Planck-Institut (MPI) für Biochemie, und Sachdev Sidhu, University of Waterloo, haben die erste einer zweistufigen Methode entwickelt, um festzustellen, welche CRLs an NEDD8 gebunden und somit eingeschaltet sind . Die Studie wurde veröffentlicht in Naturchemische Biologie.

Das Team stellte einen synthetischen Antikörper her, der an NEDD8 gebundene CRL-Molekülmaschinen erkennt. Die Forscher ermittelten eine Kristallstruktur, im Wesentlichen eine 3D-Molekülfotografie, die zeigt, wie der Antikörper NEDD8, das an fast alle CRLs gebunden ist, nur dann einfangen kann, wenn ein CRL eingeschaltet ist, um die Zerstörung der Ubiquitin-Markierung von Proteinen zu ermöglichen. Somit ist der synthetische Antikörper eine aktivitätsbasierte Sonde oder ein „molekulares Radar“, das erkennen kann, welche CRLs aktiviert werden, um ihre Zielproteine ​​zur Zerstörung zu markieren.

Anschließend entwickelten die Wissenschaftler der Abteilungen Brenda Schulman und Matthias Mann am MPI für Biochemie den zweiten Schritt der neuen Methode, um herauszufinden, welche der gesamten CRL-Flotte unter normalen zellulären Bedingungen eingeschaltet sind und welche eingeschaltet sind sich an veränderte Zellbedürfnisse anpassen. Die an den Antikörper gebundenen CRL-Molekülmaschinen, also die aktiven, wurden aus den Zellen entfernt und gesammelt, um mithilfe modernster Massenspektrometrie zu messen, welche und wie viele CRLs zu einem bestimmten Zeitpunkt in den Zellen aktiv waren Zeitpunkt.

Cullin-RING-Ligasen in der pharmazeutischen Medizin

In der aktuellen Studie konnten die Autoren identifizieren, welche CRLs als Reaktion auf Eisen und welche durch zelluläre Anzeichen einer Entzündung aktiviert werden. Die Autoren untersuchten auch CRLs, die für die Wirkung sogenannter „Degrader“-Medikamente aktiviert werden. Abbaumedikamente sind Therapien, die eine CRL dazu veranlassen, ein krankheitsverursachendes Protein zur Zerstörung anzugreifen. Derzeit werden abbauende Medikamente zur Behandlung einiger Krebsarten eingesetzt, obwohl das Konzept auch für andere Krankheiten untersucht wird.

Die neue Methode zeigte, dass die verfügbare Menge bestimmter CRLs in verschiedenen Zelltypen variiert, was die Wirksamkeit der Abbaumedikamente beeinflusst. Je mehr CRL-Zerstörer bereits in einer Zelle aktiviert sind, desto schneller kann ein Abbaumolekül die Eliminierung des krankheitsverursachenden Proteins bewirken.

Cullin-RING-Ligasen und unser Immunsystem

Die Forscher arbeiteten außerdem mit dem Labor von Peter Murray am MPI für Biochemie zusammen, um die aktiven CRLs in Zellen namens Makrophagen zu untersuchen. Makrophagen sind bestimmte Zelltypen, auf die unser Immunsystem für verschiedene Heilungsfunktionen angewiesen ist. Der Vergleich der aktiven CRL-Moleküle von Makrophagen, die auf die Bekämpfung von Bakterien spezialisiert sind, mit denen von Makrophagen, die auf die Wundheilung spezialisiert sind, ergab deutliche Unterschiede, die auf die Art der Anpassungen schließen lassen, die Makrophagenzellen benötigen, um diese sehr unterschiedlichen Funktionen zu erfüllen.

Die Ergebnisse dieser Studie bieten einen beispiellosen Einblick in die Akteure, die an den dynamischen Veränderungen unseres Proteingleichgewichts beteiligt sind, und ihre Beteiligung an pathophysiologischen Zuständen, die den Einsatz von CRLs bei der Entwicklung neuer Therapien in der Zukunft leiten könnten.