Wie ein formwandelnder Rezeptor das Zellwachstum beeinflusst

Auf Zelloberflächen gefundene Rezeptoren binden an Hormone, Proteine ​​und andere Moleküle und helfen den Zellen, auf ihre Umgebung zu reagieren. MIT-Chemiker haben jetzt herausgefunden, wie einer dieser Rezeptoren seine Form ändert, wenn er an sein Ziel bindet, und wie diese Änderungen Zellen dazu veranlassen, zu wachsen und sich zu vermehren.

Dieser als epidermaler Wachstumsfaktorrezeptor (EGFR) bekannte Rezeptor wird bei vielen Krebsarten überexprimiert und ist das Ziel mehrerer Krebsmedikamente. Diese Medikamente wirken anfangs oft gut, aber Tumore können dagegen resistent werden. Ein besseres Verständnis des Mechanismus dieser Rezeptoren könnte Forschern helfen, Medikamente zu entwickeln, die dieser Resistenz entgehen können, sagt Gabriela Schlau-Cohen, außerordentliche Professorin für Chemie am MIT.

„Das Nachdenken über allgemeinere Mechanismen zur Bekämpfung von EGFR ist eine aufregende neue Richtung und gibt Ihnen einen neuen Weg, um über mögliche Therapien nachzudenken, die möglicherweise nicht so leicht Resistenzen entwickeln“, sagt sie.

Schlau-Cohen und Bin Zhang, Pfizer-Laubach Career Development Assistant Professor of Chemistry, sind die leitenden Autoren der Studie, die heute in erscheint Naturkommunikation. Die Hauptautoren des Papiers sind die MIT-Doktorandin Shwetha Srinivasan und der ehemalige MIT-Postdoc Raju Regmi.

Formverändernde Rezeptoren

Der EGF-Rezeptor ist einer von vielen Rezeptoren, die helfen, das Zellwachstum zu kontrollieren. Es findet sich auf den meisten Arten von Epithelzellen von Säugetieren, die Körperoberflächen und Organe auskleiden, und kann zusätzlich zu EGF auf mehrere Arten von Wachstumsfaktoren reagieren. Einige Krebsarten, insbesondere Lungenkrebs und Glioblastom, überexprimieren den EGF-Rezeptor, was zu unkontrolliertem Wachstum führen kann.

Wie die meisten Zellrezeptoren überspannt der EGFR die Zellmembran. Eine extrazelluläre Region des Rezeptors interagiert mit seinem Zielmolekül (auch Ligand genannt); ein Transmembranabschnitt ist in die Membran eingebettet; und ein intrazellulärer Abschnitt interagiert mit der zellulären Maschinerie, die Wachstumswege steuert.

Der extrazelluläre Teil des Rezeptors wurde im Detail analysiert, aber die Transmembran- und intrazellulären Abschnitte waren schwierig zu untersuchen, da sie ungeordneter sind und nicht kristallisiert werden können.

Vor etwa fünf Jahren machte sich Schlau-Cohen daran, mehr über diese weniger bekannten Strukturen zu erfahren. Ihr Team bettete die Proteine ​​in eine spezielle Art von selbstorganisierender Membran namens Nanodisc ein, die die Zellmembran nachahmt. Dann verwendete sie Einzelmolekül-FRET (Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfer), um zu untersuchen, wie sich die Konformation des Rezeptors ändert, wenn er an EGF bindet.

FRET wird üblicherweise verwendet, um winzige Abstände zwischen zwei fluoreszierenden Molekülen zu messen. Die Forscher markierten die Nanodisc-Membran und das Ende des intrazellulären Schwanzes des Proteins mit zwei verschiedenen Fluorophoren, die es ihnen ermöglichten, den Abstand zwischen dem Proteinschwanz und der Zellmembran unter verschiedenen Umständen zu messen.

Zu ihrer Überraschung stellten die Forscher fest, dass die EGF-Bindung zu einer wesentlichen Veränderung der Konformation des Rezeptors führte. Die meisten Modelle der Rezeptorsignalisierung beinhalten die Wechselwirkung mehrerer Transmembranhelices, um großflächige Konformationsänderungen hervorzurufen, aber der EGF-Rezeptor, der nur ein einziges helikales Segment innerhalb der Membran aufweist, scheint eine solche Änderung zu durchlaufen, ohne mit anderen Rezeptormolekülen zu interagieren.

„Die Idee, dass eine einzelne Alpha-Helix eine so große Konformationsänderung übertragen kann, war für uns wirklich überraschend“, sagt Schlau-Cohen.

Molekulare Modellierung

Um mehr darüber zu erfahren, wie diese Formänderung die Funktion des Rezeptors beeinflussen würde, hat sich das Labor von Schlau-Cohen mit Zhang zusammengetan, dessen Labor Computersimulationen molekularer Wechselwirkungen durchführt. Diese Art der Modellierung, bekannt als Molekulardynamik, kann modellieren, wie sich ein molekulares System im Laufe der Zeit verändert.

Die Modellierung zeigte, dass, wenn der Rezeptor an EGF bindet, das extrazelluläre Segment des Rezeptors vertikal aufsteht, und wenn der Rezeptor nicht gebunden ist, es flach an der Zellmembran anliegt. Ähnlich wie beim Schließen eines Scharniers neigt der Rezeptor, wenn er flach fällt, das Transmembransegment und zieht das intrazelluläre Segment näher an die Membran. Dies verhindert, dass die intrazelluläre Region des Proteins mit der Maschinerie interagieren kann, die zum Starten des Zellwachstums erforderlich ist. Die EGF-Bindung macht diese Regionen verfügbarer und hilft, Wachstumssignalwege zu aktivieren.

Die Forscher nutzten ihr Modell auch, um zu entdecken, dass positiv geladene Aminosäuren im intrazellulären Segment nahe der Zellmembran der Schlüssel zu diesen Wechselwirkungen sind. Als die Forscher diese Aminosäuren mutierten und sie von geladen zu neutral wechselten, aktivierte die Ligandenbindung den Rezeptor nicht mehr.

„Es gibt eine schöne Übereinstimmung, die wir zwischen Simulation und Experiment sehen können“, sagt Zhang. „Mit den Molekulardynamik-Simulationen können wir herausfinden, welche Aminosäuren für die Kopplung essentiell sind, und die Rolle der verschiedenen Aminosäuren quantifizieren. Dann zeigte Gabriela, dass sich diese Vorhersagen als richtig herausstellten.“

Die Forscher fanden auch heraus, dass Cetuximab, ein Medikament, das an den EGF-Rezeptor bindet, diese Konformationsänderung verhindert. Cetuximab hat einige Erfolge bei der Behandlung von Patienten mit Dickdarm- oder Kopf-Hals-Krebs gezeigt, aber Tumore können dagegen resistent werden. Mehr über den Mechanismus zu erfahren, wie EGFR auf verschiedene Liganden reagiert, könnte Forschern helfen, Medikamente zu entwickeln, die weniger wahrscheinlich zu Resistenzen führen, sagen die Forscher.