Forschungsteam entschlüsselt den Trick der Weiterentwicklung des GTP-Sensors

Ein internationales Forscherteam hat herausgefunden, wie sich aus einer tumorfördernden Kinase eine GTP-Sensorkinase entwickelt.

Unter der Leitung von Forschern der University of Cincinnati und der japanischen University of Tokyo, der High Energy Accelerator Research Organization (KEK), der Keio University, der Rikkyo University, der Hoshi University, der Tokai University und der Kansai Medical University wurden die Ergebnisse am 2. Mai in der Zeitschrift veröffentlicht Struktur.

Atsuo Sasaki, Ph.D., einer der leitenden Forscher des Forschungsteams, sagte, die Ergebnisse liefern einen entscheidenden Einblick, der die Punkte zwischen der ATP-Präferenz von Kinasen, der GTP-Erkennung von G-Proteinen und dem evolutionären Mechanismus der Nukleotidspezifität verbinden und führen könnte zur Entwicklung eines neuen Arzneimittels zur Krebsbehandlung, das auf die GTP-Sensorkinase PI5P4Kβ abzielt und dabei die entdeckten Strukturinformationen nutzt, die es ermöglichen, GTP anstelle von ATP zu verwenden.

„Grundsätzlich verwenden Kinasen ATP, um ihre Substrate zu phosphorylieren und zu kontrollieren, und viele Krankheiten, einschließlich Krebs, werden durch die Dysregulation von Kinasen verursacht. Die Fähigkeit, die Kinaseaktivität zu modulieren, ist von zentraler Bedeutung für den Kampf gegen Krebs und mehrere Krankheiten“, sagte Sasaki, Associate Professor am College of Medicine der Universität von Cincinnati.

Kinasen sind eine Art Enzym, das für verschiedene zelluläre Prozesse, einschließlich Signalübertragung, Transkription und Metabolismus, essentiell ist. Proteinkinasen, die die größte Superfamilie bestehend aus mehr als 500 Genen im menschlichen Genom darstellen, Phosphoinositidkinasen (PI-Kinasen) und Inositphosphatkinasen (IP-Kinasen, einschließlich Inositkinasen) teilen Strukturmotive, die der ATP-Erkennung dienen, gefolgt von Hydrolyse und Phosphotransfer auf ihre Substrate.

Obwohl es eine außergewöhnliche Vielfalt in ihrer Struktur, Substratspezifität und beteiligten Signalwegen gibt, verwenden alle diese Kinasen ATP als physiologischen Phosphatdonor. Wie und warum Kinasen jedoch die ATP-Präferenz unter anderen Nukleosidtriphosphaten besitzen, bleibt weitgehend unbekannt, sagte Sasaki.

„Daher waren wir überrascht, als wir die starke GTP-Präferenz von Phosphatidylinositol-5-Phosphat-4-Kinase-β (PI5P4Kβ) fanden“, sagte Sasaki. „Unsere früheren Studien zeigen, dass PI5P4Kβ als intrazellulärer GTP-Sensor fungiert und die Tumorentstehung und Stressreaktionen reguliert. Aber wir wussten nicht, wie diese besondere GTP-Reaktivität erworben wird, von der mein Team ausging, um sie zu erforschen.

„Um den Mechanismus der GTP-Abhängigkeit zu verstehen, ist es wichtig zu wissen, wie Kinasen ATP erkennen. Wir waren überrascht, dass es keine umfassende Studie über den ATP-Erkennungsmechanismus durch Kinasen gab“, fügt Sasaki hinzu.

Sasaki sagte, dass es mehr als 600 Kinasen gibt, einschließlich Protein- und Phosphoinositid-Kinasen, deren Strukturen in der ATP-gebundenen Form gelöst sind. Diese Daten werden jedoch individuell hinterlegt. Ungeachtet umfangreicher Bemühungen, Kinasen für die Krebstherapie gezielt einzusetzen, war der genaue Mechanismus, wie Kinasen ATP erkennen, unklar.

Das multidisziplinäre, internationale Team wurde organisiert und führte zunächst einen strukturellen Vergleich von 661 Kinasen und 128 G-Proteinen durch, die GTP verwenden, und enthüllte einen gemeinsamen Mechanismus für die ATP-Erkennung durch Kinasen. Dann untersuchte das Forschungsteam den GTP-Erkennungsmechanismus von PI5P4Kβ durch eine Kombination aus biochemischen und strukturellen Analysen unter Verwendung eines Kernspinresonanz(NMR)-Aktivitätsassays, gefolgt von einer Röntgenstrukturstudie.

Darüber hinaus ermöglichte eine hochmoderne Technologie namens Fragment Molecular Orbital (FMO)-Berechnung dem Team, die kritischen Aminosäurereste und die Protein-Nukleotid-Wechselwirkungen zu identifizieren, die PI5P4Kβ zu einer GTP-reaktiven Kinase machen.

Die evolutionären retrograden Mutationen, die die Evolution des GTP-verwendenden PI5P4Kβ von der ATP-verwendenden Kinase PI4P5K zurückdrehen, enthüllten zwei kritische Mutationen in einem kurzen Sequenzabschnitt, die die Forscher das Motiv der Guanin-effizienten Assoziation (GEA) nannten, das stattete PI5P4Kβ mit der GTP-Sensoraktivität aus.

„Durch unsere multinationale interdisziplinäre Zusammenarbeit und die mehr als fünfjährige harte Arbeit des Teams konnten wir verstehen, wie die dogmatische Regel der ATP-Nutzung durch Kinase auf die GTP-Präferenz in PI5P4Kβ umgestoßen werden kann“, sagte Sasaki. „Wir freuen uns, unsere Forschung an PI5P4Kβ fortzusetzen, um Therapien zur Eliminierung von Krebserkrankungen zu entwickeln, die die Abhängigkeit von dieser GTP-Sensorkinase erhöhen.“