Wissenschaftliche Forschung erfordert Geduld. Die Vorteile stellen sich nicht immer sofort ein und die erforderliche Technologie ist nicht immer vorhanden. Michael A. Trakselis, Ph.D., Professor und Direktor für Graduiertenangelegenheiten am Fachbereich Chemie und Biochemie der Baylor University, versteht das.
Seit 15 Jahren interessiert sich Trakselis für das Enzym MCM8/9. MCM8/9 gehört zur Familie der Minichromosomen-Erhaltungsproteine (MCM) und steht in direktem Zusammenhang mit Eierstockinsuffizienz, Unfruchtbarkeit und Krebs, einschließlich Eierstock-, Hoden- und Dickdarmkrebs. Über die Funktionsweise dieses Enzyms und seinen Zusammenhang mit Krankheiten ist jedoch wenig bekannt. Es gab kein Verständnis über den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion des Enzyms.
Die Forschungsergebnisse – Aktivität, Substratpräferenz und Struktur der HsMCM8/9-Helikase – wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Nukleinsäureforschung. Mit diesen neuen Informationen haben Forscher im Trakselis-Labor und anderswo einen Plan, um die Funktion dieses Enzymkomplexes und den Zusammenhang zwischen Mutationen und Krankheiten besser zu verstehen.
„Mutationen in MCM8 oder MCM9 können Unfruchtbarkeit und Krebs verursachen; wir wissen jedoch nicht, warum wir bestimmte Krankheiten bekommen, wenn es Mutationen in diesem Protein gibt“, sagte Trakselis. „Die Struktur zu haben, könnte uns helfen, einiges davon herauszufinden.“
Bevor dies geschehen konnte, musste Trakselis zwei Hürden überwinden: Technologie und eine stabile Proteinlösung, die für die Durchführung der Forschung erforderlich war.
Bis vor Kurzem war die zum Verständnis von MCM8/9 erforderliche Technologie nicht ohne weiteres verfügbar. Das Einzelpartikel-Kryo-Transmissionselektronenmikroskop (Kryo-EM) ist ein hochempfindliches und teures Mikroskop, das erst seit etwa acht Jahren im Einsatz ist.
Computergeneriertes Modell des MCM8/9-Enzyms. Bildnachweis: Baylor University
„Es ist ein riesiges Instrument, aber es funktioniert, um wirklich kleine Dinge abzubilden“, sagte Trakselis.
Die Kryo-EM hilft dabei, die Struktur sichtbar zu machen und zu lösen, indem sie Elektronenstrahlen in das Material schießt. „Anhand der Art und Weise, wie die Strahlen reflektiert oder gebrochen werden, kann man mit dem Aufbau einer Struktur beginnen.“
Im Rahmen dieser Forschung konnte Dr. Trakselis in Zusammenarbeit mit Forschern der Rice University und des University of Texas Health Science System in Houston auf ein Kryo-EM zugreifen.
Die nächste Hürde bestand darin, eine stabile und reine Proteinlösung zu schaffen. Eine unreine oder instabile Probe würde verhindern, dass die Kryo-EM genaue Strukturinformationen über den MCM8/9-Komplex liefert. Trakselis und sein Team versuchten mehrere Ansätze zur Expression und Reinigung verschiedener Konstrukte von MCM8/9, diese waren jedoch von geringer Reinheit und Löslichkeit. Nach vielen Versuchen versuchte das Team schließlich, dieses menschliche Protein in Insektenzellen zu exprimieren, was schließlich zu einem stabilen reinen Protein führte, das eine Kryo-EM-Bildgebung des MCM8/9-Komplexes ermöglichte.
Nachdem die Barrieren beseitigt waren, konnten Trakselis und sein Team die Struktur von MCM8/9 entschlüsseln, das an sein Substratprodukt ADP gebunden war.
Für Trakselis ist dies erst der Anfang. Es müssen noch weitere Fragen beantwortet werden.
„Wir haben die grundlegende Struktur-Funktions-Beziehung beschrieben, wissen aber nicht, was sie auf zellulärer Ebene bewirkt und in welchem Kontext“, sagte Trakselis.
Mehr Informationen:
David R. McKinzey et al., Aktivität, Substratpräferenz und Struktur der HsMCM8/9-Helikase, Nukleinsäureforschung (2023). DOI: 10.1093/nar/gkad508