In nur zwei Neutronenexperimenten haben Wissenschaftler bemerkenswerte Details über die Funktion eines Enzyms entdeckt, die bei der Entwicklung von Medikamenten gegen aggressive Krebsarten hilfreich sein können.
Die Wissenschaftler, die am Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums arbeiten, nutzten Neutronen der Spallation Neutron Source und des High Flux Isotope Reactor, um die chemische Zusammensetzung der Serinhydroxymethyltransferase (SHMT), eines für die Zellteilung notwendigen Stoffwechselenzyms, auf atomarer Ebene exakt zu bestimmen.
Krebs kapert chemische Reaktionen im Stoffwechselweg, an dem SHMT und andere wichtige Enzyme beteiligt sind, und verwandelt den gesamten Prozess in einen außer Kontrolle geratenen Zug, der Krebszellen schnell reproduziert. Die Entwicklung eines Inhibitors zur Blockierung der Funktion des Enzyms, das früh im Stoffwechselweg auftritt, könnte die Versuche des Krebses, es zu überholen, vereiteln. Die Ergebnisse waren veröffentlicht In Chemische Wissenschaft.
„Ich denke, dass Neutronen bei der zukünftigen strukturbasierten Arzneimittelentwicklung sehr gefragt sein werden“, sagte Victoria Drago vom ORNL, die Hauptautorin und Biochemikerin, die mit Andrey Kovalevsky zusammenarbeitet, einem renommierten F&E-Wissenschaftler am ORNL, der Neutronenbeugung zur Beleuchtung von Proteinstrukturen einsetzt.
„Dieses Papier ist ein gutes Beispiel dafür, wie schnell Neutronen Informationen produzieren können, die schon seit sehr langer Zeit Gegenstand von Debatten sind. Studien zur SHMT-Funktion und ihrem katalytischen Mechanismus reichen bis in die frühen 1980er Jahre zurück.“
Der genaue katalytische Mechanismus und die Rolle verschiedener Aminosäurereste im aktiven Zentrum des Enzyms werden seit Jahrzehnten diskutiert. In der aktuellen Studie stellten die Forscher fest, dass nur ein Aminosäurerest, ein Glutamat, die chemischen Reaktionen dieses Enzyms reguliert.
„Die Neutronendaten zeigen deutlich, dass das Glutamat, das eine Säure ist, das Proton trägt“, sagte Co-Autor Robert Phillips, Professor für Chemie an der University of Georgia. „Man könnte erwarten, dass es sein Proton bereits abgegeben hat. Aber weil es in der Lage ist, dieses Proton herumzutragen, kann es es hin und her übertragen. Es wirkt also als Säure und als Base.“
Dieses Enzym arbeitet in einem Prozess, der als Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsel bezeichnet wird, in den Mitochondrien einer Zelle, also in den Energieproduzenten. Es wandelt die Aminosäure Serin in eine andere Aminosäure namens Glycin um, indem es ein Kohlenstoffatom auf Tetrahydrofolat überträgt, eine reduzierte Form von Folsäure. Diese Reaktion produziert Bausteine für die Synthese von Nukleinsäuren wie DNA und RNA und anderen biologischen Molekülen, die für die Zellteilung entscheidend sind. Das Glutamat steuert diesen Prozess.
Wissenschaftler am ORNL nutzten Neutronen, um Wasserstoffatome grün aufleuchten zu sehen und beendeten damit eine jahrzehntelange Debatte über ein Enzym, das aggressive Krebsarten durch die Entwicklung von Inhibitoren bekämpfen könnte. Bildnachweis: Phoenix Pleasant/ORNL, US-Energieministerium
In einem früheren Experiment kombinierte das Team zwei Techniken, Neutronen- und Röntgenkristallographie bei physiologisch relevanter Raumtemperatur, um SHMT zu verstehen und seine Proteinstruktur vor seiner Interaktion mit Tetrahydrofolat abzubilden. Im aktuellen Experiment erfassten die Forscher das Enzym im nächsten Schritt und konnten so Gewissheit darüber gewinnen, wie der Reaktionsmechanismus des Enzyms tatsächlich funktioniert.
Mit Neutronen das Bild malen
Neutronen erkennen leichte Elemente wie Wasserstoff und Röntgenstrahlen erkennen schwerere Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Neutronenbeugung bei SNS und HFIR, interne Röntgenbeugung bei ORNL und Synchrotron-Röntgenbeugung an der Advanced Photon Source des Argonne National Laboratory lieferten dem Team die Erkenntnisse, die es brauchte, um die chemische Reaktion des Enzyms eindeutig zu charakterisieren.
„Neutronen ermöglichen es uns, Wasserstoffatome zu sehen, und Wasserstoff treibt die Chemie an“, sagte Drago. „Enzyme bestehen zu etwa 50 % aus Wasserstoffatomen. In Bezug auf die Elektrostatik trägt Wasserstoff auch eine positive Ladung, die die Umgebung des Enzyms bestimmt. Sobald Sie einen Kristall haben, der Neutronen beugt, haben Sie alles, was Sie brauchen. Sie sehen die Positionen, an denen sich Wasserstoff befindet, und – ebenso wichtig – die Positionen, an denen kein Wasserstoff vorhanden ist. Sie erhalten das Gesamtbild.“
Wie in der Animation gezeigt, produzieren die Mitochondrien von Krebszellen zu viel SHMT-Enzym, ein Tetramer, das aus vier identischen Peptidketten oder Protomeren besteht (grau dargestellt). SHMT funktioniert mithilfe von Pyridoxal-5′-phosphat, das kovalent an SHMT gebunden ist, und Tetrahydrofolat (gold bzw. violett dargestellt).
Tetrahydrofolat fungiert als Substrat, das an die aktiven Stellen aller vier Protomere bindet. Die grün blinkenden Wasserstoffatome enthüllten den genauen katalytischen Mechanismus und die Rolle verschiedener Aminosäurereste in den aktiven Stellen des Enzyms. Sobald das Enzym Tetrahydrofolat freisetzt, könnte ein blau dargestellter Inhibitor entwickelt werden, der weitere chemische Reaktionen an diesen Stellen blockiert und so den Ein-Kohlenstoff-Stoffwechselweg in Krebszellen stoppt.
„Die Positionen der Wasserstoffatome bestimmen den Protonierungszustand spezifischer chemischer Gruppen innerhalb der aktiven Stellen des Enzyms“, sagte Kovalevsky. „Dadurch liefern sie Informationen über die elektrische Ladungsverteilung oder Elektrostatik. Dieses Wissen ist entscheidend für die Entwicklung von niedermolekularen Inhibitoren, die an SHMT binden, Tetrahydrofolat ersetzen und die Enzymfunktion stoppen.“
Zellen enthalten Tausende von Enzymen, die als Katalysatoren fungieren und biochemische Reaktionen beschleunigen, die für Körperfunktionen erforderlich sind – von der Atmung über die Hormonproduktion bis hin zur Nervenfunktion. Enzyme bieten auch einen Platz zum Speichern von Chemikalien, die auf bestimmte Prozesse abzielen.
Andere Enzyme im Ein-Kohlenstoff-Stoffwechselweg sind bereits bekannte Angriffspunkte für Krebsmedikamente wie Methotrexat und Fluorouracil. SHMT tritt jedoch früher in diesem Weg ein und bietet die Möglichkeit, Krebs früher zu stoppen.
Die Schwierigkeiten bei der Behandlung von Krebs hängen jedoch teilweise mit den heimlichen Angriffen der Krebszellen auf Stoffwechselprozesse zusammen. Anders als bei der Arzneimittelresistenz bei Infektionskrankheiten kalibriert der Krebs andere Stoffwechselprozesse neu, wenn ein Weg nicht gut funktioniert, und produziert so zu viele Krebszellen.
„Da wir nun die atomaren Details von SHMT kennen, können wir die Entwicklung eines Inhibitors vorantreiben, der dieses spezifische Protein im Rahmen einer Kombinationstherapie angreift“, sagte Kovalevsky.
„Verglichen mit der Behandlung von Infektionskrankheiten ist dies viel schwieriger, denn bei der Chemotherapie gegen Krebs greift man normalerweise die eigenen Proteine an, weshalb die Patienten Nebenwirkungen haben. Bei Infektionskrankheiten gehören die Proteine, die man angreift, den Viren oder Bakterien. Aber bei Krebs muss man die eigenen Zellen abtöten. Die Idee dabei ist, den Krebs schneller zu töten und den Patienten weniger zu belasten.“
Das Entdeckungstempo beschleunigen
Das Team verwendete für seine Forschung Neutronen am MaNDi-Instrument am SNS und am IMAGINE-Instrument am HFIR. Das jüngste Proton Power Upgrade-Projekt des ORNL fügte stärkere Strahlen für alle Instrumente am SNS hinzu. Stärkere Protonenstrahlen bedeuten mehr Neutronen. Mehr Neutronen bedeuten kürzere Datenerfassungszeiten bei kleineren Proben, was zu schnelleren Antworten führt, die den Wissenschaftlern helfen, intelligentere Medikamente zur Behandlung von Krankheiten zu entwickeln.
„Entdeckungsforschung ist absolut notwendig“, sagte William Nelson, Direktor des Sidney Kimmel Comprehensive Cancer Center an der Johns Hopkins University, der nicht Autor einer der von ORNL geleiteten Studien war. „Wir kommen dem Punkt immer näher, an dem wir mit Hilfe der künstlichen Intelligenz in der Lage sein werden, ein Gen in einer Krebserkrankung zu sequenzieren, vorherzusagen, wie die Proteinstruktur aussehen würde, und ein Medikament herzustellen, das sich darin einfügt; es wird großartig funktionieren und wir werden es in anderthalb Stunden schaffen.“
„Aber so weit sind wir noch nicht. Je mehr wir also über die tatsächliche Proteinstruktur, die chemische Struktur und die Art und Weise, wie Dinge interagieren, wissen, desto besser können wir KI-Modelle trainieren, Dinge vorherzusagen, die wir nicht sofort wissen.“
Weitere Informationen:
Victoria N. Drago et al., Universalität des kritischen aktiven Zentrums von Glutamat als Säure-Base-Katalysator in der Serinhydroxymethyltransferase-Funktion, Chemische Wissenschaft (2024). DOI: 10.1039/D4SC03187C