Neuartiges chemisches Werkzeug zum Verständnis des Membranumbaus in der Zelle

In einem Studie veröffentlicht in Verfahren der Nationalen Akademie der WissenschaftenForscher aus Umeå beschreiben ein naturstoffähnliches Molekül, Tantalosin, das die Interaktion zwischen zwei Proteinen in Komplexen hemmt, die Membranen innerhalb der Zelle umgestalten.

Die Ergebnisse führen zu einem tieferen Verständnis der Funktionsweise des Membranumbaus in menschlichen Zellen und zur zukünftigen Entwicklung neuer Medikamente.

„Unsere Studie ist ein gutes Beispiel dafür, kleine Moleküle als wertvolle chemische Werkzeuge zum Verständnis komplexer biologischer Mechanismen zu nutzen. Ich freue mich, eine fantastische Zusammenarbeit mit Kollegen in Umeå, Stockholm und Deutschland zu koordinieren“, sagt Yaowen Wu, Professor am Fachbereich Chemie der Universität Universität Umeå.

Zellmembranen bestehen aus Lipiden und Proteinen und erfüllen Barrierefunktionen für Zellen und intrazelluläre Organellen. Zellmembranen sind hochdynamische Mosaik-Flüssigkeits-Strukturen, die sich ständig umformen. Der für den Transport erforderliche endosomale Sortierkomplex (ESCRT) hat die Aufgabe, Membranen innerhalb der Zelle umzugestalten. Die ESCRT-Maschinerie setzt sich an der Stelle in der Zelle zusammen, an der Membranen verformt werden müssen, und bildet dann helikale Proteinpolymere, die sich zusammenziehen und Zellmembranen abklemmen können.

Zuvor identifizierten Professor Yaowen Wu und seine Gruppe in Zusammenarbeit mit dem Labor von Professor Herbert Waldmann am Max-Planck-Institut Dortmund in Deutschland ein chemisches Molekül, Tantalosin, das einen Phänotyp wie Autophagie induziert – einen selbstfressenden Prozess in der Zelle.

Tantalosin ist ein synthetisches Molekül, das von Alkaloiden der Heilpflanze Chinarinde inspiriert ist. Das Team beobachtete ein sehr interessantes Phänomen in der mit Tantalosin behandelten Zelle und untersuchte weiter den molekularen Mechanismus, wie Tantalosin in der Zelle wirkt. In Zusammenarbeit mit der Kerneinrichtung für chemische Proteomik am SciLifeLab im Karolinska-Institut untersuchte das Team potenzielle zelluläre Ziele von Tantalosin.

„Zu unserer Überraschung stellten wir fest, dass keines der Autophagie-bezogenen Proteine ​​auf der Liste potenzieller Ziele stand. Allerdings wurde das IST1-Protein in ESCRT-Komplexen als zelluläres Ziel von Tantalosin identifiziert und validiert. Wir waren gespannt darauf, an der Entschlüsselung dieses Unerwarteten zu arbeiten.“ Zusammenhang zwischen ESCRT-Komplexen und Autophagie“, sagt Erstautorin Anastasia Knyazeva, die gerade erst ihre Doktorarbeit am Fachbereich Chemie der Universität Umeå abgeschlossen hat.

Die Forscher charakterisierten den Mechanismus mithilfe verschiedener biochemischer und zellbiologischer Methoden. Als sie die Protein-Protein-Interaktion in Lösung untersuchten, stellten sie fest, dass Tantalosin die Interaktion zwischen IST1 und seinem Bindungspartner CHMP1B vollständig stoppt.

„In Zusammenarbeit mit Kasturika Shankar, einer Doktorandin aus Lars-Anders Carlsons Labor an der Universität Umeå, haben wir uns diese beiden Proteine ​​dann mit einem Transmissionselektronenmikroskop genauer angesehen. Interessanterweise stört Tantalosin die Bildung geordneter IST1-CHMP1B-Filamente „, erklärt Shuang Li, Co-Erstautor der Arbeit und Postdoktorand am Fachbereich Chemie der Universität Umeå.

Darüber hinaus untersuchten die Forscher das Innere der Zelle und stellten fest, dass Tantalosin das Recycling von Zelloberflächenrezeptoren zurück zur Zelloberfläche schnell stört. Diese Eigenschaft könnte möglicherweise für die Behandlung bestimmter Krebsarten von Nutzen sein, die durch Zelloberflächenrezeptoren gesteuert werden.

In dieser Studie fanden die Forscher heraus, dass das LC3-Protein, das normalerweise ein Kennzeichen der Autophagie ist, während der Tantalosin-Behandlung mit den endosomalen Membranen verbunden wird. Interessanterweise wurde der kanonische autophagische Abbau nicht beobachtet. Stattdessen fanden sie heraus, dass der Prozess einem nichtkanonischen Autophagieweg folgt.

„Wir glauben, dass Tantalosin ein einzigartiges Molekül sein kann, das das Verständnis neuer Funktionen der nichtkanonischen Konjugation von LC3 an endosomale Membranen erleichtert. Wir hoffen, dass weitere Studien die Rolle der LC3-Membran-Konjugation und der damit verbundenen Proteine ​​bei Membrandeformationsprozessen aufdecken werden“, sagt Knyazeva .