Nach mehr als 20 Jahren haben Wissenschaftler die vollständige Struktur einer Janus-Kinase aufgeklärt

Der Durchbruch gelang am Geburtstag des Molekularbiologen Christopher Garcia.

Seit mehr als 20 Jahren jagen sein Team und andere auf der ganzen Welt einen schwer fassbaren Steinbruch – die 3D-Struktur eines entscheidenden Signalproteins in Zellen. Ende 2021 gerieten seine elektronenmikroskopischen Bilder des Moleküls in den Fokus. Am 8. Dezember schickten ihm Postdoc Naotaka Tsutsumi und Doktorand Caleb Glassman eine E-Mail mit einem erstaunlich klaren Bild des Proteins, das an einen Schlüsselrezeptor gebunden war. „Ich saß in einem Meeting und mir wurde klar, dass wir es hatten“, erinnert sich Garcia, ein Ermittler des Howard Hughes Medical Institute an der Stanford University. „Ich habe das Meeting sofort verlassen und bin zurück ins Labor gerannt.“

Glassman, der gerade für einen Postdoc in Harvard nach Boston gezogen war, sagte seine geplante Reise ins Hinterland ab und eilte zurück nach Stanford. „Ich wollte zu Ende bringen, was Naotaka und ich begonnen hatten“, erklärt er. Dann arbeiteten die drei Forscher rund um die Uhr, um die vollständige Struktur des Proteins, bekannt als Janus-Kinase, festzunageln und konkurrierende Labore bei der Entdeckung zu überholen. „Es war ein großes Pferderennen zwischen vielen großartigen Gruppen weltweit, und wir sprinteten auf die Ziellinie zu“, sagt Garcia. Am 26. Dezember schickten sie ein Manuskript in die Zeitschrift Wissenschaftdie die Arbeit am 10. März 2022 veröffentlichte.

Garcias Team hat nicht nur die vollständige Struktur eines lebenswichtigen Signalmoleküls aufgespürt, sondern auch den Mechanismus, wie diese Kinasen funktionieren, was „eine grundlegende Frage in der Biologie“ war, sagt John O’Shea, Immunologe an den National Institutes of Health, der an der Entwicklung eines der ersten Medikamente zur Blockierung der Januskinase-Funktion mitgewirkt hat und nicht an der neuen Forschung beteiligt war. Da die Proteine ​​bei Krankheiten schief gehen können, könnten die Ergebnisse zu neuen und besseren Medikamenten gegen bestimmte Krebsarten führen. „Es ist eine erstaunliche Arbeit“, sagt O’Shea.

Absplittern

Janus-Kinasen nehmen Signale auf, die von außerhalb der Zellen kommen, und geben die Informationen an Moleküle im Inneren weiter. Wissenschaftler wissen seit Jahren, dass eine Fehlfunktion der Janus-Kinasen Krankheiten verursachen kann. Einige Mutationen, die Janus-Kinasen beeinträchtigen, können die Fähigkeit des Körpers, Infektionen abzuwehren, stark einschränken und einen Zustand verursachen, der praktisch mit der „Bubble-Boy-Krankheit“ identisch ist. Und wenn genetische Störungen und übertriebene Signale die Kinasen zu sehr aufdrehen, kann dies zu Blutkrebs wie Leukämie und allergischen oder Autoimmunerkrankungen führen.

Die Forscher kannten die Form von Teilen der Proteine, einschließlich verwandter Enzyme und regulatorischer Regionen am Ende des Moleküls, was ihnen den Namen Janus-Kinasen einbrachte, nach dem zweigesichtigen mythologischen römischen Gott. Und ausgefeilte Arzneimittelscreenings haben Moleküle zutage gefördert, die diese Proteine ​​hemmen, und geben Ärzten eine Möglichkeit, einige Krebsarten und Erkrankungen wie rheumatoide Arthritis zu behandeln. Aber Wissenschaftler entwickelten die Medikamente, ohne die vollständige Struktur der Moleküle zu kennen oder wie sie aktiviert werden. Der größte Teil des aktuellen Arsenals von fast einem Dutzend Medikamenten, plus mehr in klinischen Studien, sind also relativ stumpfe Instrumente, die sowohl gesunde als auch mutierte Janus-Kinasen blockieren. Sie können immer noch viele Krankheiten behandeln, von Ekzemen bis hin zu COVID-19, können aber auch eine Reihe von Nebenwirkungen verursachen.

Garcia wollte eine detailliertere Ansicht der Proteine, aber wie er erfuhr, als er 1995 als Postdoc zum ersten Mal versuchte, die Moleküle bildlich darzustellen, war dies eine gewaltige Herausforderung. Die Kinasen sind notorisch schwierig im Labor herzustellen. Und sie bilden nicht einfach Kristalle, die Wissenschaftler benötigen, um 3D-Strukturen mit Röntgenkristallographie zu erfassen. So konnten Garcia und andere viele Jahre lang nur Teile der Kinasen gleichzeitig sehen. „Wir haben weiter rumgebastelt, ohne viel zu zeigen“, sagt er.

In den letzten Jahren begannen sich die Teile zu fügen. Ein wichtiger Fortschritt war eine Methode namens Kryo-EM, bei der Wissenschaftler Proben einfrieren und sie dann mit einem Elektronenmikroskop betrachten. Ein weiterer Grund war die Entscheidung von Garcias Team, eine Maus-Janus-Kinase anstelle einer weniger stabilen menschlichen zu untersuchen. Sie führten auch eine häufige krebserregende Mutation in die Mauskinase ein, die das Molekül noch weiter stabilisierte.

Ein Feuer anzünden

Die Arbeit von Garcias Team enthüllt die Struktur einer Janus-Kinase namens JAK1 und skizziert die Schritte, die sie verwendet, um Signale innerhalb von Zellen zu senden.

Erstens stecken Rezeptorproteine ​​in Zellmembranen und stechen von der inneren und äußeren Oberfläche der Zelle wie ein Zahnstocher durch ein Sandwich. Dann heftet sich eine einzelne Janus-Kinase in der Zelle an die Rezeptoren und wartet auf ein Signal. Als nächstes nähern sich Zytokine genannte Moleküle dem Äußeren der Zelle und binden jeweils an zwei Rezeptoren. Die Zytokine wirken wie eine Brücke, die die beiden Rezeptoren noch näher zusammenzieht, erklärt Garcia. Das bringt die aktiven Enden der Janus-Kinase zusammen und schaltet sie ein. Wie ein Streichholz, das ein Feuer anzündet, leitet die Kinase ein Signal weiter, das den Genen sagt, sie ein- oder auszuschalten.

Die Struktur zeigt auch, wie die krebserregende Mutation diese Nachrichtenkette kurzschließt – indem sie zwei Teile der Janus-Kinase zusammenklebt. Dadurch bleiben die beiden aktiven Regionen eingeschaltet, auch wenn keine externen Zytokine vorhanden sind, was eine unkontrollierte Aktivität auslöst, die Krebs auslösen kann.

Garcia hofft, dass die neuen Ergebnisse Wissenschaftlern helfen könnten, bessere Medikamente zu entwickeln, die nur auf defekte Janus-Kinasen abzielen, sodass gesunde Versionen ihre normalen Aufgaben weiterhin erfüllen können. Die Arbeit sei ein Beispiel für eine „Wissenschafts-Idealsituation, in der die Lösung eines Grundproblems auch unmittelbare Relevanz für Krankheiten hat“.