AP180 ist ein Protein, das an der Endozytose und der Signalübertragung zwischen Nervenzellen beteiligt ist. Dieses Protein, dem eine dreidimensionale Struktur weitgehend fehlt, wurde noch nie vollständig untersucht.
Mithilfe der Lösungs-NMR-Spektroskopie konnten Wissenschaftler des Leibniz-Forschungsinstituts für Molekulare Pharmakologie (FMP) jede der 600 unstrukturierten Aminosäuren einzeln untersuchen und dabei ein neues Interaktionsnetzwerk entdecken. Die Arbeit wurde kürzlich veröffentlicht In Naturkommunikation.
Damit Stoffe wie Neurotransmitter, Nährstoffe oder auch Viren in unsere Zellen gelangen können, werden sie in Bläschen an der Zellmembran eingeschlossen und ins Zellinnere transportiert. Dieser Transportvorgang heißt Endozytose. Bei der Clathrin-vermittelten Endozytose bilden gleichnamige Proteinkomplexe ein stabilisierendes Gerüst um die Bläschen und sorgen so dafür, dass die Fracht sicher ihr Ziel erreicht.
Clathrin wird von verschiedenen Proteinen rekrutiert, eines davon ist AP180. Es ist nur in Neuronen oder Nervenzellen aktiv und ist am Recycling synaptischer Vesikel beteiligt. Dies ist eine entscheidende Aufgabe, da synaptische Vesikel für die Signalübertragung zwischen Nervenzellen unerlässlich sind. Vor kurzem wurde AP180 mit neurodegenerativen Erkrankungen in Verbindung gebracht.
Intrinsisch ungeordnete Proteine sind schwer zu untersuchen
Wie genau AP180 mit anderen Proteinen interagiert, ist allerdings noch nicht gut verstanden. Das Problem ist, dass 600 Aminosäuren von AP180 intrinsisch ungeordnet sind, also keine stabile dreidimensionale Struktur aufweisen und daher extrem schwer zu analysieren sind. Zudem ist die ungeordnete Domäne von AP180 besonders lang. Bisher wurden nur einzelne Abschnitte analysiert, aber nie die gesamte ungeordnete Domäne im Zusammenhang mit Clathrin-vermittelter Endozytose.
Das Team um Dr. Sigrid Milles vom Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) in Berlin hat nun Licht in diese Sache gebracht. Mit Hilfe der Lösungs-NMR-Spektroskopie konnten die Forscher erstmals die gesamte ungeordnete Domäne in voller Länge auf molekularer Ebene untersuchen und so ihre wahre Funktion aufdecken.
AP180 interagiert nicht nur mit dem Strukturprotein Clathrin, sondern auch mit dem Adapterproteinkomplex AP2, und zwar an vielen kleinen Interaktionsstellen, die bisher nur mit Clathrin in Verbindung gebracht wurden. Die Forscher identifizierten außerdem eine viel größere Interaktionsstelle mit einer um mehrere Größenordnungen höheren Interaktionsstärke als bisher bekannte Stellen.
Interaktion zwischen AP180 und AP2 war völlig unbekannt
„Wir haben uns Aminosäure für Aminosäure angesehen und dabei ein bisher unbekanntes Interaktionsnetzwerk entdeckt“, erklärt Samuel Naudi-Fabra, Erstautor der Studie. „Wir konnten dieses Netzwerk auf molekularer Ebene untersuchen und verstehen nun, welche spezifischen Aminosäuren in AP180 und AP2 an der Interaktion beteiligt sind, wie stark die Interaktion ist und wie dynamisch der Prozess verläuft.“
Die Forscher vermuten, dass die neu entdeckte Interaktion sehr früh im Prozess der Clathrin-vermittelten Endozytose auftritt. Im Laufe der Zeit kommen immer mehr Endozytoseproteine zusammen, bis sich schließlich ein Vesikel von der Membran ablöst, um Fracht, beispielsweise einen Transmembran-Rezeptor, ins Zellinnere zu transportieren.
Die Interaktion zwischen AP180 und AP2 ist also ein wichtiger Faktor für den Transportprozess, aber offenbar nicht der einzige. „Grundsätzlich zeigt unsere Entdeckung, dass es neben den bekannten Interaktionen im Frühstadium der Clathrin-vermittelten Endozytose noch viele weitere Interaktionen zu geben scheint“, sagt Gruppenleiter Milles.
„Wir konnten zeigen, dass es möglich ist, diese langen ungeordneten Domänen von Endozytoseproteinen auf molekularer Ebene zu untersuchen und endlich ein tieferes Verständnis des wichtigen Prozesses der Endozytose zu erlangen.“
Entscheidend für die Arbeit war die Methode: Nur die NMR-Spektroskopie erlaubt derart detaillierte und hochauflösende Untersuchungen. Auf diesem Gebiet ist das FMP mit seiner NMR-Anlage eine der führenden Forschungseinrichtungen in Deutschland.
Mithilfe der NMR und in Kombination mit anderen innovativen Methoden wie der Einzelmolekül-Fluoreszenzspektroskopie wollen Milles und ihr Team in Zukunft weitere Details über die Clathrin-vermittelte Endozytose aufdecken. Die aktuelle Entdeckung ist nur ein Teil eines komplexen biologischen Prozesses, der später für das Verständnis von Krankheiten wie neurodegenerativen Erkrankungen von Bedeutung sein könnte.
Mehr Informationen:
Samuel Naudi-Fabra et al., Eine erweiterte Interaktionsstelle bestimmt die Bindung zwischen AP180 und AP2 bei Clathrin-vermittelter Endozytose, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-50212-4