Neue Methode zur Verlagerung fehlplatzierter Proteine ​​in Zellen entwickelt

Zellen sind hochgradig kontrollierte Räume, die darauf angewiesen sind, dass jedes Protein am richtigen Platz ist. Viele Krankheiten, darunter Krebs und neurodegenerative Erkrankungen, werden mit fehlplatzierten Proteinen in Verbindung gebracht. Bei einigen Krebsarten wird beispielsweise ein Protein, das normalerweise die DNA-Replikation im Zellkern überwacht, weit weg von der DNA geschickt, die es überwachen soll, wodurch Krebs wachsen kann.

Steven Banik, Assistenzprofessor für Chemie an der School of Humanities and Sciences und Institutsgelehrter am Sarafan ChEM-H der Stanford University, und sein Labor haben eine neue Methode entwickelt, um fehlplatzierte Proteine ​​zurück an ihren richtigen Platz in den Zellen zu zwingen. Die Methode beinhaltet die Neuverdrahtung der Aktivität natürlich vorkommender Shuttles, um Proteine ​​in verschiedene Teile der Zelle zu transportieren. Das Team hat eine neue Klasse von Molekülen entwickelt, die als „zielgerichtete Relokalisierungsaktivierungsmoleküle“ oder TRAMs bezeichnet werden und diese natürlichen Shuttles dazu bringen, eine andere Fracht – wie etwa die Proteine, die bei einigen Krebsarten aus dem Zellkern exportiert werden – mitzunehmen. Veröffentlicht In Natur Am 18. September könnte diese Strategie zu einer Therapie führen, mit der die mit Krankheiten verbundene Proteinfehlplatzierung korrigiert und auch neue Funktionen in Zellen geschaffen werden können.

„Wir nehmen verlorene Proteine ​​und bringen sie zurück nach Hause“, sagte Banik.

Shuttles und Passagiere

Unsere Zellen bestehen aus vielen Kompartimenten, wie dem Zellkern, dem sicheren Zuhause der DNA, oder den Mitochondrien, in denen Energie produziert wird. Zwischen all diesen Kompartimenten liegt das Zytoplasma. Überall in der Zelle finden sich Proteine. Sie sind für alle möglichen Aktionen verantwortlich – Moleküle aufbauen und abbauen, Muskeln anspannen, Signale senden –, aber damit sie richtig funktionieren, müssen sie ihre jeweiligen Aktionen am richtigen Ort ausführen.

„In Zellen herrscht ein dichtes Gedränge“, sagt Banik. „Proteine ​​huschen durch die Menge und passieren dabei alle möglichen anderen Moleküle wie RNA, Lipide und andere Proteine. Die Funktion eines Proteins wird also durch das, was es tun kann, und durch seine Nähe zu anderen Molekülen begrenzt.“

Krankheiten nutzen dieses Bedürfnis nach Nähe manchmal aus, indem sie Proteine ​​mutieren lassen, die eine Zelle sonst vor Schäden schützen könnten. Diese Art von Mutationen ist wie die falsche Adresse auf einem Paket. Sie bringen Proteine ​​dazu, an Orte zu gelangen, an die sie in gesunden Zellen niemals gelangen würden.

Manchmal führt diese Bewegung dazu, dass das Protein seine Arbeit ganz einstellt. Proteine, die beispielsweise auf die DNA einwirken, finden keine DNA im Zytoplasma und schweben untätig davon. In anderen Fällen führt diese Bewegung dazu, dass ein Protein zu einem schädlichen Akteur wird. Bei ALS beispielsweise schickt eine Mutation ein bestimmtes Protein namens FUS aus dem Zellkern in das Zytoplasma, wo es sich zu toxischen Klumpen zusammenballt und schließlich die Zelle tötet.

Banik und sein Team fragten sich, ob sie dieser absichtlichen Fehlplatzierung von Proteinen entgegenwirken könnten, indem sie andere Proteine ​​als Shuttles verwenden, um die Passagierproteine ​​zu ihrem richtigen Zuhause zu bringen. Da diese Shuttles jedoch oft andere Funktionen haben, müsste das Team das Shuttle davon überzeugen, Fracht aufzunehmen und an einen neuen Ort zu transportieren.

Zu diesem Zweck entwickelten Banik und sein Team ein neuartiges zweiköpfiges Molekül namens TRAM. Ein Kopf ist so konzipiert, dass er am Shuttle haftet, der andere am Passagier. Wenn das Shuttle stark genug ist, wird es den Passagier an seinen rechtmäßigen Platz bringen.

Mit dabei

Das Team konzentrierte sich auf zwei vielversprechende Shuttletypen: einen, der Proteine ​​in den Zellkern transportiert, und einen, der Proteine ​​aus dem Zellkern exportiert. Christine Ng, Chemiestudentin und Erstautorin des Artikels, entwarf und baute TRAMs, die Shuttle und Passagier miteinander verbinden. Wenn ein Passagier im Zytoplasma im Zellkern landete, wusste er, dass sein TRAM funktioniert hatte.

Die erste Herausforderung war sofort da: Es gab keine zuverlässigen Methoden, um die Menge eines Proteins an einem bestimmten Ort in einzelnen Zellen zu messen. Also entwickelte Ng eine neue Methode, um die Menge und den Ort von Passagierproteinen innerhalb einer Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt zu quantifizieren. Als ausgebildete Chemikerin musste sie sich hierfür neue Fähigkeiten in der Mikroskopie und Computeranalyse aneignen.

„Die Natur ist von Natur aus komplex und vernetzt, daher sind interdisziplinäre Ansätze von entscheidender Bedeutung“, sagte Ng. „Wenn man Logik oder Werkzeuge aus einem Bereich übernimmt, um ein Problem in einem anderen Bereich anzugehen, führt dies oft zu sehr spannenden ‚Was wäre wenn‘-Fragen und Entdeckungen.“

Als nächstes stellte sie es auf die Probe. Ihre TRAMs beförderten Passagierproteine ​​erfolgreich in den Zellkern und wieder heraus, je nachdem, welches Shuttle sie verwendeten. Diese frühen Experimente halfen ihr, einige grundlegende „Regeln“ für das Design zu entwickeln, beispielsweise wie stark ein Shuttle sein musste, um die Tendenz des Passagiers zu überwinden, in eine andere Richtung zu ziehen.

Die nächste Herausforderung bestand darin, TRAMs zu entwickeln, die als Medikamente eingesetzt werden könnten, also solche, die die krankheitsverursachende Proteinbewegung umkehren. Zunächst entwickelten sie ein TRAM, das FUS, das Protein, das aus dem Zellkern ausgeschleust wird und bei ALS-Patienten gefährliche Granula bildet, relokalisieren würde. Nach der Behandlung der Zellen mit ihrem TRAM stellte das Team fest, dass FUS zurück in seinen natürlichen Lebensraum im Zellkern transportiert wurde, die toxischen Klumpen abnahmen und die Wahrscheinlichkeit eines Zelltods geringer war.

Anschließend richteten sie ihre Aufmerksamkeit auf eine bekannte Mutation bei Mäusen, die diese widerstandsfähiger gegen Neurodegeneration macht. Die Mutation, die der verstorbene Ben Barres und andere Forscher berühmt gemacht haben, führt dazu, dass ein bestimmtes Protein in Neuronen vom Zellkern weg und entlang des Axons wandert.

Das Team fragte sich, ob es ein TRAM bauen könnte, das die Schutzwirkung der Mutation nachahmt und das Protein bis zum Ende des Axons transportiert. Ihr TRAM bewegte das Zielprotein nicht nur das Axon hinunter, sondern machte die Zelle auch widerstandsfähiger gegen Stress, der einer Neurodegeneration ähnelt.

Bei all diesen Beispielen stand das Team vor einer ständigen Herausforderung: Die Entwicklung des Kopfes des TRAM, der die Passagiere anvisieren soll, ist schwierig, da die Wissenschaftler noch nicht alle möglichen Moleküle identifiziert haben, die sich an ihre Zielpassagiere binden könnten. Um dieses Problem zu umgehen, verwendete das Team genetische Werkzeuge, um diese Passagiere mit einem klebrigen Etikett zu versehen. In Zukunft hoffen sie jedoch, dass sie in der Lage sein werden, natürlich vorkommende klebrige Teile an diesen Passagieren zu finden und TRAMs zu neuen Arten von Medikamenten zu entwickeln.

Obwohl sie sich auf zwei Shuttles konzentrierten, ist die Methode auch auf alle anderen Shuttles übertragbar, beispielsweise auf solche, die Dinge an die Zelloberfläche schieben, wo die Kommunikation mit anderen Zellen stattfindet.

Das Team hofft, dass sich TRAMs nicht nur dazu nutzen lassen, mutierte Proteine ​​dorthin zurückzuschicken, wo sie hingehören, sondern auch, gesunde Proteine ​​in Teile der Zelle zu schicken, auf die sie normalerweise keinen Zugriff haben. So könnten neue Funktionen geschaffen werden, von deren Möglichkeit wir noch gar nicht wissen, ob sie möglich sind.

„Es ist spannend, denn wir beginnen gerade erst, die Regeln zu lernen“, sagte Banik. „Wenn wir das Gleichgewicht verschieben, wenn ein Protein plötzlich zu einem neuen Zeitpunkt Zugang zu neuen Molekülen in einem neuen Teil der Zelle hat, was wird es dann tun? Welche Funktionen könnten wir freischalten? Welchen neuen Teil der Biologie könnten wir verstehen?“