Forscher beobachten die lebenswichtige Zellmaschinerie hinter der Aufnahme von Selen durch den Körper

Ein Wissenschaftler von Rutgers ist Teil eines internationalen Teams, das den Prozess zur Aufnahme von Selen bestimmt hat – ein essentielles Spurenelement, das im Boden, im Wasser und in einigen Lebensmitteln vorkommt und die antioxidative Wirkung im Körper erhöht – umfasst 25 spezialisierte Proteine, eine Entdeckung, die bei der Entwicklung neuer Proteine ​​helfen könnte Therapien zur Behandlung einer Vielzahl von Krankheiten von Krebs bis Diabetes.

Die Recherche, detailliert in Wissenschaft, enthält die bisher umfassendste Beschreibung des Prozesses, durch den Selen dorthin gelangt, wo es in den Zellen benötigt wird, was für viele Aspekte der Zell- und Organismusbiologie von entscheidender Bedeutung ist. Erstens ist Selen in Selenocystein (Sec), einer essentiellen Aminosäure, eingekapselt. Dann wird Sec in 25 sogenannte Selenoproteine ​​eingebaut, die alle Schlüssel zu einer Vielzahl von zellulären und metabolischen Prozessen sind.

Laut Forschern wie Paul Copeland, Professor an der Abteilung für Biochemie und Molekularbiologie an der Rutgers Robert Wood Johnson Medical School, ist ein so detailliertes Verständnis der Funktionsweise dieser lebenswichtigen Mechanismen für die Entwicklung neuer medizinischer Therapien von entscheidender Bedeutung.

„Diese Arbeit enthüllte Strukturen, die noch nie zuvor gesehen worden waren, von denen einige in der gesamten Biologie einzigartig sind“, sagte Copeland, ein Autor der Studie.

Copeland und das Team konnten die Zellmechanismen mithilfe eines speziellen Kryo-Elektronenmikroskops sichtbar machen, das Elektronenstrahlen anstelle von Licht verwendet, um dreidimensionale Bilder komplexer biologischer Formationen mit nahezu atomarer Auflösung zu erstellen. Der Prozess verwendet gefrorene Proben von Molekülkomplexen und wendet dann eine ausgeklügelte Bildverarbeitung an – unter Einsatz der heutigen enormen Rechenleistung, um Tausende von Bildern aneinander zu reihen, um dreidimensionale Querschnitte und sogar Stop-Motion-Animationen zu erzeugen, die ein Gefühl von Bewegung innerhalb der Biomoleküle vermitteln. Infolgedessen können Wissenschaftler Darstellungen der komplizierten Struktur von Proteinen und anderen Biomolekülen sehen und sogar, wie sich diese Strukturen bewegen und verändern, während sie als zelluläre „Maschinen“ funktionieren.

Der Einbau von Selen findet tief in der komplizierten Maschinerie einer einzelnen Zelle statt. Wissenschaftler wussten bereits, welche Proteine ​​und RNA-Moleküle – eine Nukleinsäure, die in allen an der Produktion von Proteinen beteiligten Zellen vorhanden ist – den Prozess ermöglichten. Sie waren jedoch nicht in der Lage, den kritischen Schritt zu erkennen, wie diese Faktoren zusammenarbeiteten, um den Zyklus zu vervollständigen und die Funktion des Ribosoms der Zelle zu diktieren – einer großen makromolekularen Maschine, die RNA bindet, um mehr Proteine ​​herzustellen. Was sie herausfanden, war, dass die auftretenden Prozesse nicht mit denen vergleichbar sind, die irgendwo anders im menschlichen Körper stattfinden.

„Diese Aminosäure wird an ein einzigartiges RNA-Molekül gebunden und muss über einen einzigartigen Proteinfaktor zum Ribosom transportiert werden“, sagte Copeland, dessen Labor die letzten 20 Jahre damit verbracht hat, zu verstehen, wie diese Biomoleküle auf biochemischer Ebene funktionieren. „Und all dies hat sich beim Menschen speziell entwickelt, damit Selen in diese Handvoll Proteine ​​eingebaut werden kann.“

Sobald Sec in die Selenoproteine ​​eingebettet ist, erfüllen die Proteine ​​eine Vielzahl lebenswichtiger Funktionen, die für Wachstum und Entwicklung notwendig sind. Sie produzieren Nukleotide, die Bausteine ​​der DNA. Sie bauen Fett ab oder speichern es zur Energiegewinnung. Sie bilden Zellmembranen. Sie produzieren das Schilddrüsenhormon, das den Stoffwechsel des menschlichen Körpers steuert. Und sie reagieren auf den sogenannten oxidativen Stress, indem sie chemisch reaktive Nebenprodukte in den Zellen entgiften.

Krankheiten und Störungen wie Krebs, Herzerkrankungen, männliche Unfruchtbarkeit, Diabetes und Hypothyreose können entstehen, wenn die Produktion von Selenoproteinen gestört ist.

„Das Verständnis des Mechanismus, durch den Sec eingebaut wird, ist ein grundlegender Teil der Entwicklung neuer Therapien für eine Vielzahl von Krankheitszuständen“, sagte Copeland.