Was uns die mechanischen Kräfte hinter der Proteinfaltung über metastasierenden Krebs sagen können

Talin ist ein Protein, das die Anhaftung und Bewegung von Zellen steuert, aber seine Fehlfunktion ermöglicht auch die Ausbreitung von Krebszellen. DCL1 ist ein tumorunterdrückendes Protein. Aber Wissenschaftler verstehen nicht vollständig, wie eines der Proteine ​​funktioniert – oder was passiert, wenn sie nicht so funktionieren, wie sie sollten.

Eines wissen Wissenschaftler: Wenn es in einer Zelle vorhanden ist, kann DCL1 mit Talin interagieren und möglicherweise die Fähigkeit von Talin, Zellen zu gruppieren, beeinträchtigen. Wenn Wissenschaftler die genauen Schritte des Prozesses kennen, könnten sie möglicherweise eine Behandlungsoption finden, um die Metastasierung von Krebs zu verhindern.

Um Antworten zu finden, verwendete ein Forscherteam der University of Wisconsin-Milwaukee ein einzigartiges Werkzeug, das sie gebaut hatten, um die genauen mechanischen Kräfte anzuwenden, die auf Talin im Körper wirken, und startete einen Prozess namens Proteinentfaltung, der für die Leistung des Proteins notwendig ist seine Funktion.

Mit dem Werkzeug namens „Einzelmolekül-Magnetpinzette“ maßen die Wissenschaftler intrazelluläre mechanische Kräfte und experimentierten damit im Labor, um herauszufinden, was mit Talin passiert, wenn DCL1 in der Zelle vorhanden und nicht vorhanden ist.

Sie haben ein einzigartiges Verhalten von Talin entdeckt, das durch mechanische Kräfte induziert wird und eine starke Wechselwirkung zeigt, die die Antitumorwirkung von DLC1 erklären kann, wenn die beiden Proteine ​​binden.

„Wir wissen immer noch nicht genau, was mit der Funktion von Talin schief geht, wenn Krebszellen metastasieren“, sagte Ionel Popa, ein UWM-Physikprofessor, der das Team leitete. „Aber es sieht so aus, als ob Talin eine Rolle bei der Aktivierung der Zellausbreitung spielt, wenn das tumorunterdrückende DCL1 fehlt. Und wenn DCL1 an Talin bindet, scheint es Talin daran zu hindern, die Zellausbreitung zu aktivieren.“

Die Arbeit wird heute in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.

Wie alle Proteine ​​bildet Talin eine spezifische dreidimensionale Form, die seine Funktion definiert. Bekannt als Proteinfaltung, ist es einer der komplexesten Prozesse in der Natur, und wenn die Faltung schief geht, führt dies oft zu Krankheiten. Popas Labor untersucht Kräfte, die die Proteinfaltung beeinflussen, was zu neuen Behandlungen für Krankheiten führen kann, die durch eine Fehlfaltung von Proteinen entstehen.

Bei einigen Proteinen, einschließlich Talin, sind mechanische Kräfte innerhalb und außerhalb der Zelle erforderlich, damit das Protein die Form erhält, die seine Funktion freisetzt. Innerhalb der Zellen regen mechanische Kräfte Talin an, sich zu entfalten, wodurch Rezeptoren freigelegt werden, an denen andere Proteine ​​binden können, um die erforderlichen Nachrichtenverbindungen zu bilden.

„Der Prozess ist wie ein mechanischer Computer, weil er berechnet, wie viel Kraft erforderlich ist, damit alle Verbindungen hergestellt werden“, sagte Popa. „Diese Kräfte teilen der Zelle mit, was um sie herum vor sich geht.“

Die Zelle produziert verschiedene Liganden, die mechanische Kräfte in chemische Signale umwandeln, wenn sie an ein Protein binden. Und die mechanische Feinabstimmung durch diese Liganden, einschließlich DCL1, hat das Interesse der Forscher an Talin überhaupt erst geweckt.

Der Ort oder die Domäne, wo DCL1 an Talin bindet, hat die höchste Anzahl an verfügbaren Liganden unter allen Bindungsstationen auf dem Protein. Tatsächlich geht die Nachrichtenübermittlung sowohl innerhalb als auch außerhalb der Zelle weiter, da Liganden dabei helfen, die Aufgabe zu orchestrieren. Durch die Korrelation und Messung des Kraftmechanismus der Faltung konnten die Forscher diesen Vorgang genauer untersuchen.

Wie die Pinzette „sehen“ kann

Wissenschaftler wussten bereits, dass DCL1 nur an einer bestimmten Domäne des Talin-Proteins bindet. Die UWM-Forscher enthüllten, wie: Als Reaktion auf eine ausgeübte Kraft entfaltet und faltet sich Talin und bildet eine Struktur, an der DCL1 fast irreversibel bindet.

„Wir haben die Daten des Talin-Moleküls gesammelt, während es sich entfaltete und neu faltete, und dann DCL1 hinzugefügt, um zu sehen, wie es sich veränderte“, sagte Popa. „Frühere Untersuchungen deuteten auf eine schwache Wechselwirkung hin, was darauf hindeutet, dass es wahrscheinlich nicht der Treiber der Unterdrückerfähigkeiten von DCL1 ist. Aber als wir es testeten, fanden wir das Gegenteil – das resultierende Molekül wird superstabil.“

Mit der magnetischen Pinzette konnten die Forscher Messungen an einem nur wenige Nanometer großen Proteinmolekül vornehmen. Nachdem sie es zwischen einer Glasoberfläche und einem paramagnetischen Kügelchen befestigt haben, messen die Forscher die Position des paramagnetischen Kügelchens an einem frei beweglichen Ende des Moleküls und die eines nichtmagnetischen Kügelchens, das an der gleichen Oberfläche wie das gegenüberliegende Ende des Proteins haftet. Dann wenden sie eine magnetische Kraft an, replizieren die exakten mechanischen Störungen, die auf ein Protein im Körper ausgeübt werden, und messen seine Entfaltung und Rückfaltung, um zu verstehen, wie sich seine Struktur ändert.

Mit der magnetischen Pinzette können die Forscher die Wirkung dieser Kräfte über Tage statt Minuten untersuchen, ähnlich wie ihre Zeitlinien im Körper.

Die Rolle der Hormone

Die Aktivierung von Talin während der Zellausbreitung und des Gewebeaufbaus wird durch Hormone gesteuert. In diesem Stadium durchläuft das Protein Dehnungs- und Bindungszyklen mit anderen Proteinen. Mechanische Kräfte kommen ins Spiel, wenn mehr Proteine ​​in den Prozess eintreten.

Damit Talin aktiviert werden kann, muss es durch Botenstoffe, die Signale vom Zytoskelett der Zelle an die extrazelluläre Matrix, die Umgebung, in die Zellen eingebettet sind, an die Zellmembran gebracht werden.

Popas Team verfolgte dabei die Wirkung von DCL1.

„Wenn DLC1 während dieser hormongesteuerten ‚Inside-out‘-Aktivierung auch an Talin bindet, wird es diese Rekrutierung an die Membran nicht zulassen“, sagte er. „Jeder der Schritte, die die Zellausbreitung kontrollieren, könnte von Krebszellen übernommen werden, um metastatisch zu werden. In einigen Fällen wird DLC1 vollständig unterdrückt.“

Das Fehlen oder Fehlfunktion von DCL1 ist möglicherweise nicht der einzige Faktor für die Ausbreitung von Krebs, sagte Popa. Aber die Arbeit veranschaulicht das alternative Verhalten von Proteinen unter Kraft und weist auf eine Richtung für weitere Untersuchungen dieser Proteininteraktion als potenzielles Ziel für Krebsmedikamente hin.