Das Enzym ATE1 spielt eine Rolle bei der zellulären Stressreaktion und öffnet die Tür zu neuen therapeutischen Zielen

A neues Papier In Naturkommunikation beleuchtet, wie ein bisher kaum verstandenes Enzym in der Zelle funktioniert. Viele Krankheiten sind mit chronischem zellulärem Stress verbunden, und Aaron T. Smith und Kollegen vom UMBC entdeckten, dass dieses Enzym eine wichtige Rolle bei der zellulären Stressreaktion spielt. Ein besseres Verständnis der Funktionsweise und Kontrolle dieses Enzyms könnte zur Entdeckung neuer therapeutischer Angriffspunkte für diese Krankheiten führen.

Das Enzym heißt ATE1 und gehört zu einer Enzymfamilie namens Arginyl-tRNA-Transferasen. Diese Enzyme fügen Proteinen Arginin (eine Aminosäure) hinzu, was die Proteine ​​oft für die Zerstörung in der Zelle markiert. Die Zerstörung von Proteinen, die fehlgefaltet sind, oft als Folge von Zellstress, ist wichtig, um zu verhindern, dass diese Proteine ​​die Zellfunktion beeinträchtigen. Eine Anhäufung von fehlerhaften Proteinen kann ernsthafte Probleme im Körper verursachen und zu Krankheiten wie Alzheimer oder Krebs führen, daher ist die Fähigkeit, diese Proteine ​​​​effizient loszuwerden, der Schlüssel zu langfristiger Gesundheit.

Verlockende Implikationen

Die neue Veröffentlichung zeigt, dass ATE1 an Cluster aus Eisen- und Schwefelionen bindet und dass die Aktivität des Enzyms zwei- bis dreifach zunimmt, wenn es an einen dieser Eisen-Schwefel-Cluster gebunden ist. Darüber hinaus nahm die ATE1-Aktivität dramatisch ab, als die Forscher die Fähigkeit der Zellen blockierten, die Cluster zu produzieren. Sie fanden auch heraus, dass ATE1 sehr sauerstoffempfindlich ist, was ihrer Meinung nach mit seiner Rolle bei der Mäßigung der Stressreaktion der Zelle durch einen Prozess zusammenhängt, der als oxidativer Stress bekannt ist.

„Wir waren sehr aufgeregt darüber, weil es viele sehr verlockende nachgelagerte Auswirkungen hat“, sagt Smith, außerordentlicher Professor für Chemie und Biochemie, insbesondere in Bezug auf die Rolle des Enzyms bei Krankheiten.

Smiths Labor arbeitet zunächst mit dem Hefeprotein, zeigte aber auch, dass sich die Mausversion von ATE1 ähnlich verhält. Das ist wichtig, erklärt Smith. „Da sich das Hefeprotein und das Mausprotein gleich verhalten“, sagt er, „gibt es Grund zu der Annahme, dass das menschliche Protein dem Mausprotein ziemlich ähnlich ist und sich wahrscheinlich auch genauso verhält.“

Ein neuer Ansatz

Bevor sie ihre bahnbrechende Entdeckung machten, waren Smith und der damalige Doktorand Verna Van, Ph.D. ’22, Biochemie und Molekularbiologie, hatten seit geraumer Zeit versucht, ATE1 dazu zu bringen, sich an Häm zu binden, eine Verbindung, die Eisen enthält und notwendig ist, um Sauerstoff im Blut zu binden, um die Ergebnisse einer anderen Gruppe zu bestätigen. Es funktionierte nicht und sie waren frustriert, gibt Smith zu. Aber eines Tages, als Smith einen Vortrag über Proteine ​​vorbereitete, die an Cluster aus Metall- und Schwefelatomen binden, stellte er fest, dass die Proteine, die er mit seinen Studenten behandeln wollte, ATE1 ähnlich sahen.

Nach dieser Erkenntnis verfolgten Smith und Van einen neuen Ansatz. Im Labor fügten sie einer Lösung mit ATE1 die Rohstoffe für die Herstellung von Eisen-Schwefel-Clustern hinzu, und die Ergebnisse zeigten, dass ATE1 tatsächlich die Cluster bindet. „Das sieht vielversprechend aus“, erinnert sich Smith. „Wir haben uns riesig darüber gefreut.“

Die Tatsache, dass das Enzym die Cluster überhaupt bindet, war interessant und neu, „aber dann haben wir auch gefragt, ob das die Fähigkeit des Enzyms beeinträchtigt, das zu tun, was es tut“, sagt Smith. Die Antwort nach mehr als einem Jahr zusätzlicher Experimente war ein klares Ja. Dabei bestimmte Smiths Gruppe auch die Struktur von ATE1 in Hefe (ohne den daran gebundenen Cluster), die sie veröffentlicht im Zeitschrift für Molekularbiologie im November 2022.

Subtil, aber signifikant

Etwa zur gleichen Zeit veröffentlichte eine andere Gruppe auch eine etwas andere ATE1-Struktur. Die Struktur der anderen Gruppe hatte anstelle des Eisen-Schwefel-Clusters ein Zinkion (ein anderes Metall) gebunden. Wenn das Zink vorhanden ist, wird eine Schlüsselaminosäure um etwa 60 Grad gedreht. Es mag belanglos erscheinen, aber Smith glaubt, dass die Rotation, von der er annimmt, dass sie mit dem Cluster ähnlich ist, der Schlüssel zur Rolle des Clusters in der Funktion von ATE1 ist.

Die gedrehte Aminosäure befindet sich direkt neben der Stelle, an der ein Protein mit ATE1 interagieren würde, um modifiziert zu werden, und es letztendlich für den Abbau markiert. Das Ändern des Winkels dieser Aminosäure verändert die Form der Stelle, an die das Protein „sehr subtil“ binden würde, ändert aber seine Aktivität „mehr als subtil“, sagt Smith.

Blick nach vorne und Blick zurück

Smith möchte auch untersuchen, wie andere Metalle neben Zink und dem Eisen-Schwefel-Cluster die Aktivität des Enzyms beeinflussen können. Darüber hinaus arbeitet sein Labor daran, die Struktur von ATE1 in einem anderen Organismus als Hefe zu bestimmen und die ATE1-Struktur mit einem gebundenen Eisen-Schwefel-Cluster zu bestätigen.

All diese Schritte werden ein klareres Bild davon vermitteln, wie ATE1 funktioniert und in der Zelle reguliert wird. Smith sagt auch, dass er glaubt, dass Proteine, von denen bisher nicht gezeigt wurde, dass sie Eisen-Schwefel-Cluster binden, sich tatsächlich auf sie verlassen könnten.

Dieses neue Papier geht tatsächlich auf Smiths erste Tage bei UMBC zurück. Er hat sich schon immer für Proteinmodifikationen interessiert, und das Hinzufügen von Arginin ist eher ungewöhnlich. „Es ist immer etwas, das ich in meinem Kopf abgelegt hatte und dachte: ‚Oh, es wäre wirklich interessant, ein besseres Verständnis dafür zu bekommen, wie das funktioniert’“, sagt er.

Einige Jahre später steht seine Gruppe nun an vorderster Front bei der Entdeckung, wie Arginin-Modifikationen Zellfunktionen und Krankheiten beeinflussen.