Jüngste Forschungen zu intramembranösen Proteasen könnten zu neuen Alzheimer-Behandlungen führen

Bei der Arbeit mit winzigen Bakterien haben Forscher der Michigan State University unter der Leitung von Lee Kroos eine Entdeckung gemacht, die große Auswirkungen auf die Biologie haben könnte.

Die Forscher haben einen neuen Weg entdeckt, wie die Natur wichtige Proteine, die als Intramembranproteasen bekannt sind, hemmen oder ausschalten kann, was das Team am 26. April in der Zeitschrift berichtete eLife.

Obwohl die Forscher diese Entdeckung anhand eines Modellorganismus, einer als Bacillus subtilis bekannten Mikrobe, gemacht haben, ist diese Art von Protein hochgradig konserviert, wie Evolutionsbiologen sagen: „Es ist überall.“

Diese Arten von Proteasen kommen in Organismen vor, die alle Reiche des Lebens umfassen, von einzelligen Bakterien bis hin zu Menschen. Tatsächlich wurde 1997 die erste intramembranäre Protease beim Menschen entdeckt, und das vielleicht bekannteste Mitglied dieser Familie, die Gamma-Sekretase, ist an der Alzheimer-Krankheit beteiligt.

„Unser Artikel zeigt das erste Beispiel für die Regulierung einer intramembranären Protease mit natürlichen Inhibitorproteinen“, sagte Kroos, Professor an der Fakultät für Biochemie und Molekularbiologie und der Fakultät für Mikrobiologie und Molekulargenetik der Hochschule für Naturwissenschaften. „Das gibt uns einige Ideen, wie wir das nutzen und nachahmen können.

„Wird es uns sagen, wie man Gamma-Sekretase moduliert? Nein“, sagte Kroos. „Aber es könnte den Leuten einige Ideen für Dekorationen geben, die sie auf Inhibitoren setzen könnten, um sie als Therapeutika auszuprobieren.“

Die Verwendung dieser Informationen zur Entwicklung von Medikamenten zur Behandlung von Alzheimer wird Jahre dauern, sagte Kroos, aber die Ergebnisse könnten unmittelbarere Auswirkungen auf die Bekämpfung besonders böser und hartnäckiger bakterieller Krankheitserreger haben. Dazu gehören Bacillus anthracis, das Bakterium hinter Milzbrandinfektionen, und andere Bakterien, die für Tetanus, Botulismus und Lebensmittelvergiftungen verantwortlich sind.

„Viele, viele Bakterien haben intramembranöse Proteasen, die ziemlich eng mit der von uns untersuchten verwandt sind“, sagte Kroos, der seit 2014 Fellow der American Association for the Advancement of Science ist, teilweise dank seiner Arbeit, die unser Verständnis von fördert Biologie mit Bakterien. „Wenn wir diese herausfinden, könnten wir herausfinden, wie wir Bakterien weniger stressresistent und mit Antibiotika besser behandelbar machen können.“

Ein besseres Verständnis dieser Proteasen könnte auch dazu beitragen, Anwendungen in anderen Bereichen zu entwickeln, darunter Landwirtschaft und Umweltschutz. eLife in einem Digest mit der Arbeit der Forscher vermerkt. Darüber hinaus hilft es, ein vollständigeres Bild davon zu zeichnen, wie das Leben funktioniert.

„Diese Arbeit sollte einen breiten Einfluss haben und unser Verständnis der Regulation dieser Klasse von Proteinen im gesamten Baum des Lebens beeinflussen“, schrieb Petra Anne Levin, Redakteurin für eLife und Professor für Biologie an der Washington University in St. Louis.

Scheren, Sporen und Korvetten

Eine Protease ist ein Enzym, eine Art Proteinmaschine, mit der die Natur andere Proteine ​​zerkleinert. Dies ist ein grundlegender biologischer Prozess, den Zellen nutzen, um eine Vielzahl von Zielen zu erreichen. Eine Intramembranprotease ist ein Enzym, dessen aktives Zentrum – die Stelle, an der das Enzym schneidet – in einer Zellmembran verborgen ist.

„Manchmal hört man sie ‚Schere in der Membran‘ nennen“, sagte Kroos. „Diese intramembranären Proteasen leisten wirklich wichtige Dinge in Zellen.“

Die von den Forschern untersuchte Protease beispielsweise ist Teil des biologischen Systems, das B. subtilis nutzt, um bei Nahrungsmangel Sporen zu bilden. Sporen sind im Wesentlichen ruhende Zellen, die mit einem Proteinpanzer überzogen sind, der raue Bedingungen überstehen und sich dann reaktivieren kann, sobald sich die Situation verbessert (andere Bakterien, einschließlich B. anthracis, bilden ebenfalls Sporen, was einer der Gründe dafür ist, dass diese Krankheitserreger so hartnäckig sind).

Da Intramembranproteasen ihre Arbeit innerhalb der Grenzen einer Zellmembran erledigen, war es für Forscher eine Herausforderung, genau zu bestimmen, wie sie funktionieren. Zusätzlich zur Komplexität des Projekts dachten die Forscher, dass ihre Protease auf eine ausgeklügelte Weise arbeiten könnte, die noch nie zuvor dokumentiert worden war.

„Wenn Sie sich andere verwandte Organismen ansehen, sehen Sie, dass sich dieses System stark weiterentwickelt hat“, sagte Kroos. „B. subtilis ist wie die Corvette. Sie hat die High-End-Maschinerie.“

Das Verständnis dieser High-End-Maschinerie erforderte umfangreiche genetische und biochemische Tests, die von Sandra Olenic, einer Doktorandin in Kroos‘ Labor, geleitet wurden. Olenic erwarb ihren Ph.D. nach Abschluss dieses Projekts und ist nun Postdoktorand an der Tufts University.

Während Olenic Experimente entwarf und durchführte, erkannten sie und Kroos, dass ihre Ergebnisse nicht alle Antworten liefern würden, die sie suchten. Sie wandten sich an einen der langjährigen Mitarbeiter von Kroos, Michael Feig, einen MSU-Professor für Biochemie und Molekularbiologie, um Computermodelle einzubringen und dabei zu helfen, das umfangreiche Puzzle zu lösen.

Lim Heo, ein Postdoktorand in Feigs Labor, hatte Erfahrung mit einer Computertechnik, die Proteinstrukturen vorhersagen konnte. Die Technik hat in letzter Zeit dank Google und anderen großen Namen in der künstlichen Intelligenz, die Softwarepakete entwickeln, die sie für die wissenschaftliche Gemeinschaft zugänglicher machen, eine größere Aufmerksamkeit erlangt.

Bevor solche Werkzeuge verfügbar waren, hatten Heo und Feig jedoch noch das Know-how, um Kroos und Olenic dabei zu helfen, ein Modell zusammenzusetzen, das die Funktionsweise der Intramembran-Protease erklärt.

„Ich denke, das ist eine wirklich coole Geschichte und eine schöne Zusammenarbeit, die viel harte Arbeit und Ausdauer gekostet hat“, sagte Kroos. „Sandra hatte einfach eine unglaubliche Beharrlichkeit und Hingabe. Es ist auch ein Verdienst von Lim und Michael, dass sie mit der Computermodellierung so gute Arbeit geleistet haben.“

Das Puzzle vervollständigen

Insgesamt implizieren die Ergebnisse des Teams, dass diese Intramembranprotease von B. subtilis mit Hilfe von zwei anderen Proteinen inaktiv gehalten wird – das heißt, ihr Zielprotein oder Substrat wird nicht abgeschnitten. Eines dieser Inhibitorproteine ​​wirkt wie eine Klammer und hält das zweite Protein im aktiven Zentrum des Scherenenzyms fest.

Die Forscher vermuten, dass die Bakterien die Protease dann aktivieren können, indem sie die Klammer lösen, das blockierende Protein herausrutschen lassen und das Zielprotein hereinlassen.

„Das war, als würde man ein 5.000-teiliges Puzzle zusammensetzen, ohne zu wissen, wie es aussieht“, sagte Kroos. Obwohl das Rätsel noch nicht vollständig gelöst ist, verfügt das Team über genügend Daten und Ergebnisse, um sicher sein zu können, dass es über ein vernünftiges Modell dafür verfügt, wie die Dinge aussehen und funktionieren. Aber die Forscher hören hier nicht auf.

Ihr nächster Schritt ist bereits im Gange, bei dem es darum geht, die Vorhersagen des Modells zu testen – beispielsweise wo die Klammer sowohl an der Protease als auch am Inhibitorprotein befestigt ist – und zu sehen, wie gut diese mit der Realität übereinstimmen. Zwei Bachelor-Forscher in Kroos‘ Labor leiten diese Experimente.

Ein weiterer wichtiger Schritt ist die Bestimmung der Strukturen der beteiligten Proteine ​​mithilfe von Analysetechniken wie Röntgenkristallographie und kryogener Elektronenmikroskopie. Kroos arbeitet seit etwa einem Jahrzehnt mit Mitarbeitern der MSU an diesem Teil, aber die Proteine ​​haben es nicht eilig, ihre Geheimnisse preiszugeben.

Kroos vermutet, dass er sich zurückziehen könnte, bevor das Puzzle vollständig fertig ist, aber das scheint ihn nicht zu stören. Zum einen gestand er, dass er versuchen könnte, sich zurückzuschleichen und zu helfen, wenn seine Kollegen ihn lassen würden. Und er scheint vor allem gespannt zu sein, wie viel von dem Rätsel er und sein Team in den wenigen Jahren, die ihm noch bleiben, lösen können.

Als Kroos 1988 an der MSU anfing, wusste die Wissenschaft nichts über intramembranäre Proteasen. Aber es dauerte nicht lange nach ihrer Entdeckung im Jahr 1997, dass Kroos beschloss, dass er seinen Forschungsschwerpunkt ändern musste, um diese Proteine ​​einzubeziehen.

„Das ist nicht einfach“, sagte Kroos, weil nicht alle – einschließlich der Förderstellen – an eine Umstellung glaubten. Aber er fand Unterstützung und willige Mitarbeiter an der MSU.

„Unsere Abteilung ist wirklich stark bei Membranproteinen“, sagte er. „Ich dachte, es wäre eine gute Chance, dort zu blühen, wo ich gepflanzt wurde.“

Man kann mit Sicherheit sagen, dass die Hypothese bestätigt wurde.