Visualisierung von Bindungsprozessen von Zell-Zell-Adhäsionsmolekülen in Lösung

Die Zell-, Gewebe- und Organstruktur wird durch Zell-Zell-Adhäsionsmoleküle aufrechterhalten, die gegenüberliegende Zellen verbinden. Cadherine sind eine Klasse essentieller Zell-Zell-Adhäsionsmoleküle für die Gewebebildung und -integrität, und Defekte in der Cadherinfunktion verursachen verschiedene Krankheiten (z. B. Krebsinvasion). Cadherin ragt aus der Zelloberfläche heraus und bindet ein anderes Cadherin auf einer gegenüberliegenden Zelle, um die Zell-Zell-Adhäsion zu vermitteln. Der Cadherin-Bindungsprozess umfasst hauptsächlich zwei Dimerisierungsschritte: X-Dimer-Bildung und Strand-Swap (SS-) Dimer-Bildung der extrazellulären Domänen (Ektodomänen) von Cadherin. Es wurden jedoch auch andere Wechselwirkungen als die der Bildung der X- und SS-Dimere vorgeschlagen, und der genaue Bindungsmechanismus von Cadherin bleibt umstritten.

Shigetaka Nishiguchi von ExCELLS, Takayuki Uchihashi von ExCELLS und der Nagoya University und Tadaomi Furuta von Tokyo Tech wandten Hochgeschwindigkeits-Rasterkraftmikroskopie (HS-AFM) an, um den Bindungsmechanismus von Cadherinen zu untersuchen. HS-AFM kann die Visualisierung von Einzelmolekülstrukturen und -dynamiken in Lösung im Nanometerbereich mit einer Zeitauflösung von weniger als einer Sekunde ermöglichen, indem die Oberfläche von Proteinen direkt berührt und durch eine Sonde mit scharfer Spitze gescannt wird. HS-AFM zeigte, dass Cadherine als mehrere dimere Strukturen existieren, die basierend auf ihrer Morphologie als W-, Kreuz- und S-förmige Dimere klassifiziert werden können.

Darüber hinaus führten die Wissenschaftler Mutations- und Strukturmodellierungsanalysen durch und fanden heraus, dass W- und kreuzförmige Dimere bekannten SS-Dimeren und X-ähnlichen Dimeren entsprachen und dass das S-förmige Dimer eine neue Konformation ist. Die durch HS-AFM direkt visualisierten Bindungsprozesse von Cadherinen zeigten auch, dass der Dimerisierungsprozess innerhalb einer Sekunde durch Umwandlung in die oben genannten drei Arten von dimeren Strukturen abgeschlossen ist. Basierend auf diesen HS-AFM-Beobachtungen stellten die Wissenschaftler die Hypothese auf, dass der Bindungsmechanismus durch die Gleitbewegung des S-förmigen Dimers fortschreitet, gefolgt von der Kippbewegung des X-Dimers, um das SS-Dimer zu bilden, von dem angenommen wird, dass es das letzte ist stabiles Cadherin-Dimer.

Bisher wurde der Bindungsmechanismus von Cadherinen hauptsächlich mithilfe von Strukturanalysen und Zell- und Lösungsmessungen untersucht, die nur die Bindungszustände analysieren können, die sich in der großen Anzahl von Cadherinen widerspiegeln. Die neu angewendete HS-AFM-Technik enthüllte die Bindungsprozesse einzelner Cadherine mit Einzelmolekülauflösung, was zuvor nicht erreicht wurde. Die HS-AFM-Beobachtung wird den Weg für ein tieferes Verständnis des Bindungsmechanismus von Cadherinen ebnen, der für die Organisation auf Gewebe- und Organebene und für Erkrankungen im Zusammenhang mit Zell-Zell-Adhäsion wichtig ist.

Die Studie wurde veröffentlicht in Proceedings of the National Academy of Sciences.