Der Enzymatlas hilft Forschern, zelluläre Wege zu entschlüsseln

Eine der wichtigsten Klassen menschlicher Enzyme sind Proteinkinasen – Signalmoleküle, die nahezu alle zellulären Aktivitäten regulieren, einschließlich Wachstum, Zellteilung und Stoffwechsel. Eine Fehlfunktion dieser zellulären Signalwege kann zu einer Vielzahl von Krankheiten führen, insbesondere zu Krebs.

Die Identifizierung der Proteinkinasen, die an zellulärer Dysfunktion und Krebsentstehung beteiligt sind, könnte viele neue Wirkstoffziele liefern, aber für die große Mehrheit dieser Kinasen haben Wissenschaftler kein klares Bild davon, an welchen zellulären Signalwegen sie beteiligt sind oder was ihre Substrate sind.

„Wir haben viele Sequenzierungsdaten für Krebsgenome, aber was uns fehlt, ist die groß angelegte Untersuchung von Signalweg- und Proteinkinase-Aktivierungszuständen bei Krebs. Wenn wir diese Informationen hätten, hätten wir eine viel bessere Vorstellung davon, wie um bestimmte Tumore mit Medikamenten zu behandeln“, sagt Michael Yaffe, David H. Koch Professor of Science am MIT, Direktor des MIT Center for Precision Cancer Medicine, Mitglied des Koch Institute for Integrative Cancer Research des MIT und einer der Senior Autoren der neuen Studie.

Yaffe und andere Forscher haben nun einen umfassenden Atlas mit mehr als 300 in menschlichen Zellen gefundenen Proteinkinasen erstellt und identifiziert, auf welche Proteine ​​sie wahrscheinlich abzielen und welche sie kontrollieren. Diese Informationen könnten Wissenschaftlern dabei helfen, viele zelluläre Signalwege zu entschlüsseln und herauszufinden, was mit diesen Signalwegen passiert, wenn Zellen krebsartig werden oder mit bestimmten Medikamenten behandelt werden.

Lewis Cantley, Professor für Zellbiologie an der Harvard Medical School und am Dana Farber Cancer Institute, und Benjamin Turk, außerordentlicher Professor für Pharmakologie an der Yale School of Medicine, sind ebenfalls Seniorautoren des Artikels, der heute in erscheint Natur. Die Hauptautoren des Papiers sind Jared Johnson, Dozent für Pharmakologie am Weill Cornell Medical College, und Tomer Yaron, Doktorand am Weill Cornell Medical College.

„Ein Rosetta-Stein“

Das menschliche Genom umfasst mehr als 500 Proteinkinasen, die andere Proteine ​​aktivieren oder deaktivieren, indem sie sie mit einer als Phosphatgruppe bekannten chemischen Modifikation markieren. Bei den meisten dieser Kinasen sind die Proteine, auf die sie abzielen, unbekannt, obwohl die Erforschung von Kinasen wie MEK und RAF, die beide an Zellwegen beteiligt sind, die das Wachstum kontrollieren, zu neuen Krebsmedikamenten geführt hat, die diese Kinasen hemmen.

Um zusätzliche Signalwege zu identifizieren, die in Krebszellen fehlreguliert sind, verlassen sich Forscher auf die Phosphoproteomik mithilfe von Massenspektrometrie – eine Technik, die Moleküle basierend auf ihrer Masse und Ladung trennt – um Proteine ​​zu entdecken, die in Krebszellen oder gesunden Zellen stärker phosphoryliert sind. Bisher gab es jedoch keine einfache Möglichkeit, die Massenspektrometriedaten abzufragen, um festzustellen, welche Proteinkinasen für die Phosphorylierung dieser Proteine ​​verantwortlich sind. Aus diesem Grund ist bisher unbekannt geblieben, wie diese Proteine ​​bei Krankheiten reguliert oder fehlreguliert werden.

„Für die meisten der gemessenen Phosphopeptide wissen wir nicht, wo sie in einen Signalweg passen. Wir haben keinen Rosetta-Stein, mit dem Sie sich diese Peptide ansehen und sagen könnten, dies ist der Weg, der die Daten enthält erzählt uns davon“, sagt Yaffe. „Der Grund dafür ist, dass wir für die meisten Proteinkinasen nicht wissen, was ihre Substrate sind.“

Vor 25 Jahren, als Postdoc in Cantleys Labor, begann Yaffe, die Rolle von Proteinkinasen in Signalwegen zu untersuchen. Turk trat kurz darauf dem Labor bei, und die drei haben seitdem Jahrzehnte damit verbracht, diese Enzyme in ihren eigenen Forschungsgruppen zu untersuchen.

„Dies ist eine Zusammenarbeit, die begann, als Ben und ich vor 25 Jahren in Lews Labor waren, und jetzt kommt endlich alles zusammen, was zum großen Teil von der Arbeit der Hauptautoren Jared und Tomer angetrieben wird“, sagt Yaffe.

In dieser Studie analysierten die Forscher zwei Klassen von Kinasen – Serinkinasen und Threoninkinasen, die etwa 85 % der Proteinkinasen im menschlichen Körper ausmachen – basierend darauf, an welche Art von Strukturmotiv sie Phosphatgruppen anbringen.

Die Forscher arbeiteten mit einer Bibliothek von Peptiden, die Cantley und Turk zuvor erstellt hatten, um nach Motiven zu suchen, mit denen Kinasen interagieren, und maßen, wie die Peptide mit allen 303 bekannten Serin- und Threoninkinasen interagierten. Mithilfe eines Computermodells zur Analyse der beobachteten Wechselwirkungen konnten die Forscher die Kinasen identifizieren, die in der Lage sind, jede der 90.000 bekannten Phosphorylierungsstellen, die in menschlichen Zellen beschrieben wurden, für diese beiden Klassen von Kinasen zu phosphorylieren.

Zu ihrer Überraschung stellten die Forscher fest, dass sich viele Kinasen mit sehr unterschiedlichen Aminosäuresequenzen entwickelt haben, um dieselben Motive auf ihren Substraten zu binden und zu phosphorylieren. Sie zeigten auch, dass etwa die Hälfte der von ihnen untersuchten Kinasen auf eine von drei Hauptklassen von Motiven abzielen, während die verbleibende Hälfte spezifisch für eine von etwa einem Dutzend kleinerer Klassen ist.

Netzwerke entschlüsseln

Dieser neue Kinase-Atlas kann Forschern helfen, Signalwege zu identifizieren, die sich zwischen normalen und Krebszellen oder zwischen behandelten und unbehandelten Krebszellen unterscheiden, sagt Yaffe.

„Mit diesem Atlas der Kinase-Motive können wir nun Signalnetzwerke entschlüsseln“, sagt er. „Wir können uns all diese phosphorylierten Peptide ansehen und sie einer bestimmten Kinase zuordnen.“

Um diesen Ansatz zu demonstrieren, analysierten die Forscher Zellen, die mit einem Krebsmedikament behandelt wurden, das eine Kinase namens Plk1 hemmt, die die Zellteilung reguliert. Als sie die Expression von phosphorylierten Proteinen analysierten, stellten sie fest, dass viele der Betroffenen erwartungsgemäß von Plk1 kontrolliert wurden. Zu ihrer Überraschung entdeckten sie auch, dass diese Behandlung die Aktivität von zwei Kinasen erhöhte, die an der zellulären Reaktion auf DNA-Schäden beteiligt sind.

Yaffes Labor ist nun daran interessiert, diesen Atlas zu verwenden, um zu versuchen, andere dysfunktionale Signalwege zu finden, die die Krebsentstehung vorantreiben, insbesondere bei bestimmten Krebsarten, für die keine genetischen Treiber gefunden wurden.

„Wir können jetzt Phosphoproteomik verwenden, um zu sagen, dass diese Signalwege vielleicht im Tumor dieses Patienten hochreguliert oder diese Signalwege herunterreguliert sind“, sagt er. „Es ist wahrscheinlich, Signalwege zu identifizieren, die Krebs unter Bedingungen antreiben, bei denen nicht offensichtlich ist, welche Genetik den Krebs antreibt.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website, die Neuigkeiten über MIT-Forschung, -Innovation und -Lehre enthält.