Forscher haben die Struktur und Funktion eines bisher unbekannten Lysosom-Transporters entschlüsselt. Die Gruppen von Christian Löw (CSSB, EMBL Hamburg), Markus Damme (Christian-Albrechts-Universität Kiel) und Bruno Gasnier (CNRS und Université Paris Cité) haben veröffentlicht ihre Erkenntnisse in Natur Zellbiologie.
Lysosomen sind Organellen, die als Abfallbeseitigungs- und Recyclingsystem innerhalb der Zelle fungieren. Sie zerlegen größere Makromoleküle wie Proteine und Lipide in kleinere, leichtere Verbindungen wie Aminosäuren, Monosaccharide oder Fettsäuren. Diese kleineren Verbindungen, bekannt als Metaboliten, werden dann in das Zytoplasma der Zelle transportiert.
Die Arbeitsgruppe Damme an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel versucht, die Funktion spezifischer Proteine auf der Membran des Lysosoms aufzuklären.
„Vor einigen Jahren bemerkten wir, dass das glykosylierte lysosomale Membranprotein (GLMP) eng an einen verwaisten Transporter namens Major Facilitator Superfamily Domain Containing 1 (MFSD1) bindet“, bemerkte Markus Damme, einer der drei korrespondierenden Autoren der Studie. Wie der Begriff „verwaister Transporter“ andeutet, waren Funktion und Substrat von MSFD1 unbekannt.
Um die Funktion von MFSD1 aufzudecken, wandte sich Damme an die Löw-Gruppe am Center for Structural Systems Biology (CSSB) und EMBL Hamburg. Die Forschung der Löw-Gruppe konzentriert sich auf das Verständnis von Peptidtransportern, die als POTs (protonengekoppelte Oligopeptidtransporter) bekannt sind.
„MFSD1 hat mich fasziniert und ich wollte helfen, seine Rolle im Lysosom herauszufinden“, erklärte Löw, derzeit Gastgruppenleiter am EMBL Hamburg und einer der korrespondierenden Autoren der Studie. „Ich war auch davon überzeugt, dass die verschiedenen Technologien und Methoden, die uns am CSSB zur Verfügung stehen, entscheidend dazu beitragen würden, dieses Rätsel zu lösen.“
Mithilfe einer Kombination von Techniken, darunter Fluoreszenzspektroskopie und Differential Scanning Fluorimetry (nanoDSF), entdeckten die Forscher, dass MFSD1 Dipeptide, also Peptide, die aus nur zwei Aminosäuren bestehen, nicht nur bindet, sondern auch transportiert. Anschließend konnten die Forscher zeigen, wie der MFSD1/GLMP-Komplex an Dipeptide bindet.
„Wir konnten die Struktur des Komplexes in einer nach außen offenen Konformation bestimmen“, erklärte Katharina Jungnickel, EMBL EIPOD Fellow und eine der Erstautorinnen der Studie. „Zusätzlich konnten wir die Dichte des Dipeptids an der Bindungsstelle beobachten. Zusammen mit molekulardynamischen Simulationen (von Reza Mehdipour, Universität Gent) konnten wir bestätigen, dass die Bindung des Dipeptids hauptsächlich durch die Koordination seiner N- und C-Termini erleichtert wird.“
Die Gasnier-Gruppe an der Université Paris Cité führte einige raffinierte Experimente durch, die es den Forschern ermöglichten, den Mechanismus zu entdecken, den MFSD1 zum Transport der Dipeptide verwendet.
„Wir haben herausgefunden, dass MFSD1 ein passiver Uniporter ist, der Dipeptide nur entlang seines eigenen Gradienten transportiert“, erklärte Bruno Gasnier, der dritte korrespondierende Autor des Artikels. „Das veranlasste uns, einen neuen Test zu entwickeln, der zeigte, dass MFSD1 ein viel breiteres Spektrum an Dipeptiden transportiert als zunächst angenommen.“
Die Erkenntnisse der Forscher deuten darauf hin, dass MFSD1 einen alternativen Weg zur Versorgung der Biosynthesewege mit Aminosäuren bietet, wenn andere lysosomale Aminosäureexporteure überlastet sind.
„Das war eine erstaunliche Zusammenarbeit, bei der Labore mit unterschiedlichem Fachwissen zusammenkamen, die von dem Bedürfnis getrieben waren, biologische Fragen zu beantworten“, bemerkte Löw. „Ich freue mich darauf, mehr über MFSD1 und seine allgemeine Rolle bei der Ernährungserkennung herauszufinden.“
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Katharina Esther Julia Jungnickel et al, MFSD1 mit seiner akzessorischen Untereinheit GLMP fungiert als allgemeiner Dipeptid-Uniporter in Lysosomen, Natur Zellbiologie (2024). DOI: 10.1038/s41556-024-01436-5