Forscher enthüllen die vollständige 3D-Struktur des p53-Proteins

Das als „Wächter des Genoms“ bekannte Tumorsuppressorprotein p53 schützt die körpereigene DNA vor täglichem Stress oder langfristigen Schäden, indem es die Zellen zu Reparaturen oder zur Selbstzerstörung anregt. Aber Mutationen im p53-Gen, das für das Protein kodiert, können es daran hindern, seine Aufgabe zu erfüllen, wodurch sich Fehler im genetischen Code anhäufen und zu Krankheiten wie Krebs führen.

Zum ersten Mal hat ein von der Penn State geleitetes Forscherteam die vollständige Struktur des p53-Proteins anhand von Patientenproben aufgedeckt. Sie untersuchten auch, wie mutationsinduzierte Veränderungen in der p53-Struktur verschiedene Krebsarten beeinflussen können. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in ChemBioChem und das Internationale Zeitschrift für Molekularwissenschaften.

„Wir haben die Struktur von p53 in voller Länge definiert und damit die Tür zum Verständnis der 3D-Anordnungen geöffnet, die zur Information über neue Therapeutika verwendet werden können“, sagte Maria Solares, Doktorandin der Penn State in molekularen, zellulären und integrativen Biowissenschaften an den Huck Institutes of the Life Wissenschaften und Erstautor beider Arbeiten. „Wissenschaftler haben p53 bereits früher als einen wichtigen Brennpunkt bei der Entstehung von Tumoren identifiziert, und es wurde viel über seine Funktion in Zellen untersucht. Ohne jedoch die vollständige Struktur des p53 zu verstehen, ist unser Wissen darüber, wie man damit in erkrankten Zellen umgeht war unvollständig.“

Die Forscher verwendeten Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), um einzelne p53-Proteine ​​abzubilden, die aus Hirntumorzellen isoliert wurden. Einzigartig für ihre Arbeit, sagte Solares, verwendete das Team Halbleitermaterialien, um die isolierten p53-Proteine ​​vor der Bildgebung sauber einzufangen. Diese siliziumbasierten Mikrochips halten die Proteine ​​so fest, dass die Forscher bisher unsichtbare molekulare Merkmale auflösen konnten.

„Die vollständige Struktur des p53 zu sehen, war, als würde man endlich den ganzen menschlichen Körper sehen, nachdem man so lange nur begrenzte Teile oder Gliedmaßen betrachtet hat“, sagte die korrespondierende Autorin Deb Kelly, Professorin für biomedizinische Technik an der Penn State University und Direktorin des Penn State Center for Structural Oncology und Huck-Lehrstuhl für Molekulare Biophysik. „Es ist schwer zu verstehen, wie die Dinge funktionieren, ohne ihre gesamte körperliche Beschaffenheit zu kennen.“

Das p53-Protein besteht aus einzelnen Einheiten, die als Monomere bezeichnet werden und sich zu größeren Einheiten oder Dimeren und Tetrameren verbinden.

„Wir fanden heraus, dass in Krebszellen eine Mischung aus Monomeren, Dimeren und Tetrameren vorhanden war, die jeweils unterschiedlichen Zwecken dienen, basierend auf Ereignissen, die im Zellkern stattfinden“, sagte Solares. „Die Ergebnisse der Dimerstruktur zeigten zum ersten Mal eine ‚geschlossene‘ Konfiguration des Moleküls. Diese Form von p53 ist wie in den Startlöchern vor einem Rennen, vorbereitet und bereit, in Richtung DNA zu rennen, wenn sie von anderen zellulären Signalen benachrichtigt werden dass es ein Problem gibt.“

Andere Formen von p53, wie z. B. Monomere, gelten als „offen“, da sie sich mit einer anderen Einheit verbinden müssen, bevor sie sich an die Startlinie bewegen können, um ihre Aufgaben zu erfüllen. Laut Kelly ist eine ordnungsgemäße Kommunikation wichtig, um das Ausmaß und den Zeitpunkt der p53-Einbringung in den Zellkern zu kontrollieren, wo sich die DNA befindet, und Unterbrechungen des Prozesses sind mit den Ursachen von Krankheiten, einschließlich Krebs, verbunden.

Mutationen im p53-Gen können zu p53-Proteinen führen, die nicht gut kommunizieren können, sagte Kelly. Nachdem sie die 3D-Struktur enthüllt hatten, untersuchten die Forscher, wie strukturelle Veränderungen in p53 zu Molekülen führen, die in Zellen nicht ordnungsgemäß funktionieren.

„Es ist allgemein bekannt, dass die Hälfte aller Krebserkrankungen p53-Genmutationen enthalten“, sagte Solares. „Um genauer zu untersuchen, wie sich diese Mutationen auf die Struktur des p53-Proteins auswirken, haben wir mithilfe von Molecular-Modeling-Software Änderungen in der Struktur des p53-Monomers simuliert.“

Die Forscher untersuchten sieben „Hotspots“, an denen Mutationen in der Proteinstruktur am häufigsten mit Krebs in Verbindung gebracht werden. Diese sieben Mutationen im p53-Protein führen typischerweise zu weniger günstigen Patientenergebnissen in Bezug auf Krankheitsverlauf und Chemoresistenz, sagte Kelly.

Sie fanden heraus, dass leichte Verschiebungen in der 3D-Struktur eines mutierten p53 die Oberflächenladungen des Proteins beeinflussen können, die dazu dienen, Ladungen anderer molekularer Einheiten abzustoßen und anzuziehen. Laut Kelly kann dies die richtigen Wechselwirkungen zwischen dem Protein und der DNA behindern, was zu einem Zusammenbruch der Fähigkeit von p53 führt, bei Regulierungs- oder Reparaturprozessen zu helfen, die für die Aufrechterhaltung gesunder Zellen unerlässlich sind.

„Unter gesunden Bedingungen verwendet p53 Zinkionen, um genetisches Material festzuhalten“, sagte Solares. „Wenn die Oberflächenladung des Proteins richtig ausgeglichen bleibt, können Zinkionen die richtige Position einnehmen, um p53 dabei zu helfen, DNA zu greifen. Aber wenn Mutationen im p53-Gen zu Veränderungen in der Oberfläche des Proteins führen, werden Zinkionen nicht richtig platziert und p53 verliert seinen Halt auf die DNA. Dieser Effekt wird bei Krankheiten noch verstärkt.“

In Zukunft hoffen die Forscher, ihre Arbeit auf die Untersuchung von Bauchspeicheldrüsen- und Eierstockkrebs auszudehnen, wo p53-Mutationen stark beteiligt sind. Sie untersuchen auch neue therapeutische Ansätze auf der Grundlage ihres neuen Verständnisses der vollständigen 3D-Struktur von p53.

„Der Krebs eines Patienten ist nicht derselbe wie der Krebs eines anderen Patienten“, sagte Solares. „Wir müssen weiterhin experimentelle Daten von verschiedenen Patienten und verschiedenen Krebsarten sammeln, um unsere Modelle zu testen. Ohne das vollständige Bild können wir Krebs nicht vollständig verstehen.“

Neben Solares und Kelly, Co-Autoren der ChemBioChem Zu den Beiträgen gehörten GM Jonaid, William Y. Luqiu, Samantha Berry, Janki Khadela, Madison C. Evans und William J. Dearnaley vom Penn State’s Center for Structural Oncology; und Yanping Liang, Zhi Sheng und Kevin J. Pirdham vom Fralin Biomedical Research Institute der Virginia Tech.

Für die Internationale Zeitschrift für Molekularwissenschaften Papier waren Solares und Kelly die alleinigen Autoren.