Forscher aktivieren ein Enzym mit Licht und enthüllen seine Rolle im Stoffwechsel

Takeaki Ozawa und sein Team von der Universität Tokio haben die Stoffwechselreaktionen aufgedeckt, die nach der Aktivierung eines Enzyms namens Akt2 stattfinden. Dabei legen sie das Innenleben des insulinregulierten Stoffwechsels offen. Die Ergebnisse weisen den Weg für Akt2-gerichtete Therapeutika für Diabetes und Stoffwechselstörungen.

Es braucht Energie, um irgendetwas zu tun – sogar um zu existieren. Sie können Nahrung verstoffwechseln, um Glukose in Energie umzuwandeln: dank vieler Kaskaden molekularer Reaktionen in Ihren Zellen. Sobald Sie essen, schüttet Ihre Bauchspeicheldrüse das Hormon Insulin aus, das verschiedene Stoffwechselvorgänge in Gang setzt. Als wäre es ein molekulares Relaisspiel, löst die Bindung von Insulin an seine Rezeptoren eine Kommunikationskette über die molekularen Reaktionen aus, die durch Enzyme, sogenannte Kinasen, vermittelt werden. Akt2 ist eine solche Kinase, die an insulinregulierten zellulären Stoffwechselprozessen beteiligt ist.

„Zellstoffwechsel umfasst viele molekulare Wege, die die Nährstoffspeicherung und Energieproduktion regulieren – alle beeinflusst oder kontrolliert durch Insulin. Wir kennen viele der Schlüsselakteure, die an Insulinwegen beteiligt sind. Aber uns interessiert nun, welche Rolle diese Akteure als Individuen spielen.“ sagte Ozawa auf die Frage nach ihrer Motivation, Akt2 zu studieren.

Aber es ist keine leichte Aufgabe. Der Zellstoffwechsel ist wie ein geschäftiger Markt, auf dem RNAs, Proteine ​​und Metaboliten gleichzeitig arbeiten. Das macht die Untersuchung eines bestimmten Biomoleküls in diesem Prozess zu einer Herausforderung. Und wenn auch nur ein Biomolekül nicht normal funktioniert, führt das zu Stoffwechselstörungen wie Diabetes. Also machten sich Ozawa und sein Team daran, dieses herausfordernde Problem anzugehen.

Sie verwendeten eine neue Analysemethode namens „Transomics“-Analyse gepaart mit „Optogenetik“-Technologie. Die Transomics-Analyse kombiniert umfangreiche Daten von Biomolekülen, die am Stoffwechselprozess beteiligt sind: Proteine ​​(Proteomik), exprimierte Gene oder RNA-Transkripte (Transkriptomik) und Metaboliten (Metabolomik). Die Optogenetik-Technologie ermöglichte es den Forschern, Akt2 spezifisch zu aktivieren, indem Licht auf lichtempfindliche Akt2-Moleküle im Inneren von Zellen gerichtet wurde. Wenn sie das Licht einschalten, lagern sich alle Akt2-Moleküle an der Zellmembran an. Schalten Sie das Licht aus, der Akt2 ist deaktiviert.

Um die Folgen der Akt2-Aktivierung zu verstehen, aktivierten die Forscher Akt2 in Maus-Skelettmuskelzellen. Dann sammelten sie groß angelegte Daten über die Biomoleküle, die bald darauf produziert oder abgebaut wurden. Die Transomics-Analyse zeigte das molekulare Netzwerk, das durch Akt2-Aktivierung ausgelöst wurde.

Zu ihrer Überraschung nutzt Akt2 im Vergleich zu Insulin andere Regulationsmechanismen. Das Akt2-regulierte Netzwerk umfasste 9 Gene, 56 Stoffwechselenzyme und 23 Metaboliten. Aber das insulinregulierte Netzwerk umfasste 32 Gene, 43 Stoffwechselenzyme und 18 Metaboliten. Bei manchen Stoffwechselreaktionen wirkt Akt2 alleine; in anderen wirkt es mit anderen Enzymen zusammen. Insbesondere spielt Akt2 eine wichtige Rolle bei der Initiierung der Glykolyse, bei der Glukose zur Energiegewinnung abgebaut wird, und beim Nukleotidstoffwechsel, bei dem DNA und RNA synthetisiert oder abgebaut werden.

„Diese Ergebnisse können zur Aufklärung der Mechanismen des Krankheitsausbruchs beitragen, die durch Mutationen in der Akt2-Funktion verursacht werden“, sagte Ozawa. „Sie können auch bei der Entwicklung von Medikamenten helfen, die auf Akt2 abzielen. Der in dieser Studie verwendete Analyserahmen ist auch auf andere Biomoleküle anwendbar. Daher ist dieser Ansatz vielseitig, um die Funktion eines bestimmten Enzyms innerhalb einer Zelle zu analysieren.“