Menschliche Proteine unterliegen nach ihrer Synthese einer Vielzahl chemischer Veränderungen. Diese Veränderungen regulieren ihre Struktur, Funktion und Stabilität. Forscher der Bhogaraju-Gruppe am EMBL Grenoble haben eine neue Methode entwickelt, um einen kritischen Typ von Proteinmodifizierungsprozessen namens Ubiquitinierung zu untersuchen. Ubiquitinierung spielt eine wesentliche Rolle bei verschiedenen Zellfunktionen, und ihre Fehlregulierung trägt zu vielen menschlichen Krankheiten bei, darunter Neurodegeneration und Krebs.
Bei der Ubiquitinierung heftet eine Gruppe von Enzymen namens E3-Ubiquitinligasen ein kleines Protein namens Ubiquitin an andere Proteine. Diese Markierung wiederum bestimmt das Schicksal des Zielproteins. Ubiquitinierung ist beim Menschen weit verbreitet und man schätzt, dass jedes menschliche Protein mindestens einmal in seinem Leben eine Ubiquitinierung erfährt.
Die Vielfalt der zellulären Funktionen der Ubiquitinierung spiegelt sich in der Existenz von über 600 menschlichen E3-Ligase-Genen wider, die etwa 3 % des menschlichen Genoms ausmachen. Die Kartierung der menschlichen E3-Zielproteinlandschaft kann uns helfen, ihre Funktion zu verstehen und sie schließlich für Therapeutika gezielt einzusetzen.
Eine beträchtliche Anzahl von E3-Ligasen und ihre Ziele sind jedoch noch immer schlecht charakterisiert, was unter anderem an der extrem flüchtigen Natur ihrer Interaktion liegt. Aktuelle Methoden zur Kartierung solcher Interaktionen sind zudem sehr ressourcenintensiv, was ihre Nutzung und Skalierbarkeit einschränkt.
Um dieses Problem zu lösen, entwickelte die Bhogaraju-Gruppe, die Ubiquitinierungswege in verschiedenen physiologischen Kontexten untersucht, eine einfache, kostengünstige Methode namens Ub-POD, um die Ziele eines bestimmten E3-Ligase-Enzyms schnell und einfach direkt in menschlichen Zellen zu markieren.
Das Werk, das vor kurzem veröffentlicht im Journal Wissenschaftliche Fortschrittewurde von Urbi Mukhopadhyay geleitet, einem EMBO-Postdoktoranden in der Bhogaraju-Gruppe, der einen Weg fand, die ubiquitinierten Ziele einer bestimmten E3-Ligase direkt in Zellen effektiv mit Biotin zu markieren. Dadurch können die Ziele später mithilfe einer Technik namens quantitative Massenspektrometrie identifiziert werden. Biotin ist eine kleine organische Verbindung, die biochemisch an Proteine von Interesse gebunden und verwendet werden kann, um sie aus einer gemischten Probe zu isolieren.
Aufgrund der Einfachheit der Methode und der Verwendung gängiger Chemikalien kann sie überall auf der Welt und in jedem Labor eingesetzt werden, das über grundlegende molekularbiologische Einrichtungen verfügt.
Mithilfe dieser Methode und als Machbarkeitsnachweis identifizierten die Forscher neue Ziele der E3-Ligasen RAD18 und CHIP, die an Krebs bzw. neurodegenerativen Erkrankungen beteiligt sind. Das Labor von Christian Behrend an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München, das mit der Bhogaraju-Gruppe zusammenarbeitet, hat diese Methode auch auf TRAF6 angewendet – eine weitere E3-Ligase und ein wichtiger Immunsignalregulator – und konnte bekannte und neue Substrate erfolgreich identifizieren.
In Zukunft plant das Team, diese Methode auf alle bekannten menschlichen E3-Enzyme anzuwenden.
„Wir glauben, dass dies dazu beitragen wird, die Diskrepanz zwischen der Kinase-Proteinfamilie und der Ubiquitinligase-Familie im therapeutischen Bereich zu schließen“, sagte Sagar Bhogaraju, Gruppenleiter am EMBL Grenoble. „Obwohl sie eine ähnliche Anzahl von Enzymen enthalten, gibt es etwa 80 von der FDA zugelassene Therapeutika, die auf Kinasen abzielen, während nur eine Handvoll Medikamente auf das Ubiquitinsystem abzielen. Die von uns entwickelte Methode würde dazu beitragen, den Anwendungsbereich von E3-Ligasen oder ihren Substraten als Arzneimittelziele zu erweitern.“
Weitere Informationen:
Urbi Mukhopadhyay et al., Ein ubiquitinspezifischer, auf Nähe basierender Markierungsansatz zur Identifizierung von Ubiquitinligasesubstraten, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adp3000