Die ersten vollständigen Strukturen des humanen Angiotensin-Converting-Enzyms (ACE) wurden von Forschern der University of Cape Town (UCT) mittels Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) bestimmt. ACE ist ein blutdruckregulierendes Protein, das für die Gesundheit des Herzens von entscheidender Bedeutung ist.
Veröffentlicht in Das EMBO-Journal Am 12. Juli 2022 haben die Kryo-EM-Strukturen von ACE in zwei verschiedenen Konformationen das Potenzial, das Arzneimitteldesign für Herz-Kreislauf-Erkrankungen – die weltweit häufigste Todesursache – zu verbessern.
Dr. Lizelle Lubbe, Dr. Jeremy Woodward, Professor Ed Sturrock und Professor Trevor Sewell führten die Studie durch. Das ACE-Protein wurde im Sturrock Laboratory des UCT hergestellt und in der Electron Microscope Unit (EMU) des UCT für die hochauflösende Bildgebung vorbereitet. Es wurde zur hochauflösenden Bildgebung zum Electron Bio-Imaging Centre (eBIC) am nationalen Synchrotron des Vereinigten Königreichs, Diamond Light Source (Diamond), transportiert. Die Bildverarbeitung fand am südafrikanischen CSIR Centre for High Performance Computing (CHPC) und der EMU statt.
ACE ist ein wichtiges Ziel für die Behandlung von Bluthochdruck (erhöhtem Blutdruck) und Herz-Kreislauf-Erkrankungen, da es das Hormon Angiotensin II produziert, das die Blutgefäße verengt und den Blutdruck erhöht. Bluthochdruck ist ein Hauptrisikofaktor für Herzinsuffizienz, Herzinfarkt, Nierenerkrankungen, Schlaganfall und Sehverlust. Es zeigt oft keine Symptome und wird als „der stille Killer“ bezeichnet.
Die monomere Form (eine Kopie des Proteins) von ACE ist faszinierend, da sie aus zwei strukturell ähnlichen, aber funktionell unterschiedlichen Domänen besteht, die miteinander verbunden sind. Es existiert auch in einer funktionell relevanten dimeren Form (zwei interagierende Kopien des Proteins), die in der Studie beobachtet wurde. Die Kommunikation zwischen den verschiedenen Teilen von ACE beeinflusst seine Funktion und seine Wirkstoffbindungseigenschaften, die für das therapeutische Wirkstoffdesign von entscheidender Bedeutung sind.
„ACE-Hemmer werden klinisch als eine der Erstlinienbehandlungen für Bluthochdruck empfohlen, aber sie zielen nicht selektiv auf beide ACE-Domänen ab und lösen dadurch bei einigen Patienten Nebenwirkungen aus“, sagt Studienleiter Professor Sturrock. „Es ist wirklich wichtig, die Struktur und Dynamik dieser neu entdeckten Formen von ACE zu verstehen, da dies helfen könnte, neue Stellen für das Design von domänenselektiven Inhibitoren zu identifizieren, die solche Nebenwirkungen vermeiden.“
Die Ergebnisse der Studie zeigen auf einzigartige Weise die hochdynamische Natur von ACE und die Mechanismen, durch die Dimerisierung und Kommunikation zwischen seinen verschiedenen Domänen stattfinden. „Durch den Wechsel von einer auf das aktive Zentrum zentrierten zu einer ganzheitlichen Betrachtungsweise dieses lebenswichtigen Proteins haben wir wertvolle neue Einblicke in die Funktionsweise von ACE gewonnen“, sagt Erstautor der Studie, Dr. Lubbe.
„Die dynamische Natur von ACE verhindert die Kristallbildung, was dazu führte, dass Röntgenkristallographie-Studien in den letzten zwei Jahrzehnten nur Teile der Struktur auflösen konnten“, erklärt der Co-Autor der Studie, Professor Sewell. „Wir haben mit dieser Methode viele Hinweise entdeckt, konnten aber das Rätsel nicht vollständig lösen, bis wir Zugang zu hochauflösender Kryo-EM hatten.“
Um die vollständige Struktur zu erhalten, wurde das Protein schnell auf –180 Grad Celsius abgekühlt, wodurch die verschiedenen Konformationen in einem sehr dünnen, glasartigen Wasserfilm an der EMU eingeschlossen wurden. Danach wurde ein fortschrittliches Titan-Krios-Mikroskop am eBIC für die Bildgebung verwendet. „Selbst bei hochauflösender Bildgebung stellten die einzigartige Form, geringe Größe und dynamische Natur von ACE viele Herausforderungen dar“, sagt Co-Autor der Studie, Dr. Woodward.
„Kürzlich entwickelte Kryo-EM-Bildverarbeitungsmethoden waren entscheidend für die Lösung der Strukturen“, erklärt Dr. Lubbe. „Wir mussten die Bilder rechnerisch durch umfangreiche Klassifizierung trennen, was einer ‚digitalen Reinigung‘ gleichkommt, weil biochemische Methoden die monomeren und dimeren Formen von ACE nicht trennen konnten. Wir konnten dann beide ACE-Strukturen lösen, indem wir die 3D-Verfeinerung auf verschiedene Teile der Struktur konzentrierten im Gegenzug.“
„Wir freuen uns über die Ergebnisse dieser Studie, die von einem brillanten Team von Wissenschaftlern in Afrika unter Verwendung der fortschrittlichen Kryo-EM von eBIC bei Diamond erzielt wurden“, sagt Professor Chris Nicklin, Diamond Science Group Leader und Hauptforscher des GCRF START-Förderprojekts. „Dies ist ein hervorragendes Beispiel für britische und afrikanische Forschungspartnerschaften und globale Auswirkungen durch das sehr erfolgreiche GCRF START-Stipendium. Die Welt braucht dringend nachhaltige Lösungen für tödliche Herzkrankheiten und andere chronische Gesundheitszustände. Wir freuen uns sehr, dass die strukturellen Erkenntnisse der Studie ebnen könnten der Weg für ein verbessertes blutdrucksenkendes Arzneimitteldesign.“
Lubbe, L., Sewell, BT, Woodward, JD, Sturrock, ED, Cryo‐EM deckt Mechanismen der Allosterie und Dimerisierung von Angiotensin‐I‐konvertierenden Enzymen auf. Das EMBO-Journal (2022). DOI: 10.15252/embj.2021110550 , www.embopress.org/doi/10.15252/embj.2021110550