Forscher der National Institutes of Health haben eine dreidimensionale Struktur entwickelt, mit der sie sehen können, wie und wo Krankheitsmutationen auf dem Twinkle-Protein zu mitochondrialen Erkrankungen führen können. Das Protein ist daran beteiligt, den Zellen zu helfen, Energie zu nutzen, die unser Körper aus der Nahrung umwandelt. Vor der Entwicklung dieser 3D-Struktur hatten die Forscher nur Modelle und konnten nicht bestimmen, wie diese Mutationen zu Krankheiten beitragen. Mitochondriale Erkrankungen sind eine Gruppe von Erbkrankheiten, die 1 von 5.000 Menschen betreffen und für die nur sehr wenige Behandlungen erforderlich sind.
„Zum ersten Mal können wir die Mutationen kartieren, die eine Reihe dieser verheerenden Krankheiten verursachen“, sagte die Hauptautorin Amanda A. Riccio, Ph.D., und Forscherin am National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) Mitochondrial DNA Replikationsgruppe, die Teil des NIH ist. „Kliniker können jetzt sehen, wo diese Mutationen liegen, und können diese Informationen verwenden, um die Ursachen zu lokalisieren und Familien dabei zu helfen, Entscheidungen zu treffen, einschließlich Entscheidungen darüber, mehr Kinder zu bekommen.“
Die neuen Erkenntnisse werden besonders relevant für die Entwicklung gezielter Behandlungen für Patienten sein, die an mitochondrialen Erkrankungen wie progressiver externer Ophthalmoplegie leiden, einer Erkrankung, die zum Verlust von Muskelfunktionen führen kann, die an der Bewegung von Augen und Augenlid beteiligt sind; Perrault-Syndrom, eine seltene genetische Störung, die zu Hörverlust führen kann; infantile spinozerebelläre Ataxie, eine erbliche neurologische Störung; und das hepatozerebrale mitochondriale DNA (mtDNA)-Depletionssyndrom, eine Erbkrankheit, die im Säuglingsalter zu Leberversagen und neurologischen Komplikationen führen kann.
Dieses rotierende Bild zeigt die 3D-Struktur, die NIEHS-Forscher aus dem Twinkle-Protein erstellt haben. Die Forscher verwendeten Cryo-EM und andere Techniken, um zu zeigen, wie Krankheitsmutationen auf dem Protein zu mitochondrialen Erkrankungen führen können. Das Video zoomt auf die Proteinschnittstelle, an der viele der Krankheitsmutationen auftreten. Bildnachweis: AA Riccio, NIEHS
Das Papier, das in der erscheint Proceedings of the National Academy of Sciences zeigt, wie die NIEHS-Forscher die ersten waren, die klinisch relevante Varianten in der Twinkle-Helikase, dem Enzym, das die mitochondriale DNA-Doppelhelix entwindet, genau kartiert haben. Die Funkelstruktur und alle Koordinaten sind jetzt in den offenen Daten verfügbar Protein-Datenbank die allen Forschern frei zur Verfügung steht.
„Die Struktur von Twinkle ist Forschern viele Jahre lang entgangen. Es ist ein sehr schwieriges Protein, mit dem man arbeiten kann“, bemerkte William C. Copeland, Ph.D., der die Mitochondriale DNA-Replikationsgruppe leitet und der korrespondierende Autor der Veröffentlichung ist. „Durch die Stabilisierung des Proteins und die Verwendung der besten Ausrüstung der Welt konnten wir das letzte fehlende Stück für das menschliche mitochondriale DNA-Replisom bauen.“
Die Forscher verwendeten Kryo-Elektronenmikroskopie (CryoEM), die es ihnen ermöglichte, in das Innere des Proteins und die komplizierten Strukturen von Hunderten von Aminosäuren oder Resten und deren Wechselwirkung zu sehen.
Besonders anfällig für Mutationen sind Mitochondrien, die für die Energiegewinnung zuständig sind. mtDNA-Mutationen können ihre Fähigkeit stören, effizient Energie für die Zelle zu erzeugen. Im Gegensatz zu anderen spezialisierten Strukturen in Zellen haben Mitochondrien ihre eigene DNA. Im Zellkern gibt es zwei Kopien jedes Chromosoms, aber in den Mitochondrien können Tausende von Kopien der mtDNA vorhanden sein. Eine hohe Anzahl an mitochondrialen Chromosomen erlaubt es der Zelle, einige wenige Mutationen zu tolerieren, aber die Anhäufung zu vieler mutierter Kopien führt zu einer mitochondrialen Erkrankung.
Um die Studie durchzuführen, verwendeten die Forscher eine klinische Mutation, W315L, von der bekannt ist, dass sie eine progressive externe Ophthalmoplegie verursacht, um die Struktur zu lösen. Mithilfe von CryoEM konnten sie Tausende von Proteinpartikeln beobachten, die in verschiedenen Ausrichtungen auftauchten. Die endgültige Struktur zeigt eine kreisförmige Anordnung mehrerer Proteine. Sie verwendeten auch Massenspektrometrie, um die Struktur zu verifizieren, und führten dann Computersimulationen durch, um zu verstehen, warum die Mutation zu Krankheiten führt.
Innerhalb von Sekunden waren sie in der Lage, bis zu 25 krankheitsverursachende Mutationen zu kartieren. Sie fanden heraus, dass viele dieser Krankheitsmutationen direkt an der Verbindungsstelle zweier Proteinuntereinheiten kartieren, was darauf hindeutet, dass Mutationen in dieser Region die Interaktion der Untereinheiten schwächen und die Helikase funktionsunfähig machen würden.
„Die Anordnung von Twinkle ähnelt einem Puzzle. Eine klinische Mutation kann die Form der Twinkle-Teile verändern, und sie passen möglicherweise nicht mehr richtig zusammen, um die beabsichtigte Funktion auszuführen“, erklärte Riccio.
„Was an Dr. Riccio und der Arbeit des Teams so schön ist, ist, dass die Struktur es Ihnen ermöglicht, so viele dieser Krankheitsmutationen an einem Ort versammelt zu sehen“, sagte Matthew J. Longley, Ph.D., Autor und NIEHS-Forscher. „Es ist sehr ungewöhnlich, eine Veröffentlichung zu sehen, die so viele klinische Mutationen erklärt. Dank dieser Arbeit sind wir einen Schritt näher an Informationen gekommen, die zur Entwicklung von Behandlungen für diese schwächenden Krankheiten verwendet werden können.“
Amanda A. Riccio et al, Strukturelle Einblicke und Charakterisierung der menschlichen Twinkle-Helikase bei mitochondrialen Erkrankungen, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2207459119