Wie die antiken Botenstoffe cAMP und cGMP ihre Botschaften übermitteln

Zwei sehr ähnliche Moleküle mit wesentlichen, aber oft gegensätzlichen Signalfunktionen in den meisten Lebensformen üben ihre unterschiedliche Wirkung durch subtile Unterschiede in ihrer Bindung an ihre Signalpartner aus, so eine neue Studie unter der Leitung von Forschern von Weill Cornell Medicine.

In der Studie, veröffentlicht am 27. März in Natur Struktur- und Molekularbiologienutzten die Forscher äußerst empfindliche Messtechniken, um auf Einzelmolekülebene aufzudecken, wie die Signalmoleküle cAMP und cGMP an einen Ionenkanal aus der Familie der Schrittmacherkanäle binden, eine der wichtigsten Arten von Proteinen, deren Aktivitäten sie regulieren.

Ionenkanäle sind gemeinsame Merkmale von Zellmembranen und steuern grundlegende Zellfunktionen, indem sie Kalzium, Natrium, Kalium und andere geladene Elemente, die Ionen genannt werden, in die Zellen hinein und aus ihnen heraus fließen lassen. Viele Ionenkanäle können sowohl cAMP als auch cGMP binden, während sie effektiv nur von einem von ihnen geöffnet werden. Wie genau die beiden Moleküle ihre unterschiedlichen Wirkungen auf die Ionenkanalaktivität ausüben, war ein Rätsel.

Die Studie beschreibt detailliert, wie cAMP/cGMP an Ionenkanäle bindet, und fördert das Verständnis eines grundlegenden Aspekts der Zellbiologie. Diese Ergebnisse könnten schließlich zu neuen Behandlungen für Erkrankungen mit Fehlfunktionen von Ionenkanälen führen.

„Wir haben deutliche Unterschiede in der Wechselwirkung und Bindungsstärke dieser beiden Moleküle an die Ionenkanäle gefunden, was unserer Meinung nach erklärt, warum das eine den Kanal öffnen kann und das andere nicht“, sagte Studienleiter Dr. Simon Scheuring, Professor für Physiologie und Biophysik in Anästhesiologie bei Weill Cornell Medicine.

Zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) und zyklisches Guanosinmonophosphat (cGMP) sind als zyklische Nukleotide bekannt: „zyklisch“, weil ihre chemischen Strukturen zyklische oder Ringmotive enthalten, und „Nukleotide“, weil sie Teil derselben Molekülfamilie wie das Nukleotidgebäude sind blockiert A und G der DNA. Sie scheinen sich als Mehrzweckschalter entwickelt zu haben, die in der Lage sind, die Aktivität eines breiten Spektrums unterschiedlicher Proteinziele zu regulieren.

Oft ist nur einer von ihnen, cAMP oder cGMP, der Aktivator, während der andere wenig oder nichts direkt auf das Ziel wirkt, es aber durch Bindung an dieselbe Stelle in einen inaktiven Zustand zwingen kann, sodass die Konkurrenz zwischen den beiden Molekülen die Kanäle umschaltet an und aus.

Zu den durch cAMP/cGMP regulierten Proteinen gehört eine große Klasse von Ionenkanälen, die als zyklische Nukleotid-gesteuerte (CNG) Ionenkanäle bezeichnet werden. CNG-Kanäle spielen eine wichtige Rolle im gesamten Nervensystem, einschließlich in den sensorischen Neuronen, die Geruch und Sehen vermitteln, und in den Schrittmacherzellen, die den Herzschlagrhythmus steuern.

Dr. Scheuring, der Pionierarbeit beim Einsatz einer empfindlichen Messtechnik namens Rasterkraftmikroskopie (AFM) geleistet hat, und Dr. Crina Nimigean, Expertin für Ionenkanäle und Professorin für Physiologie und Biophysik in der Anästhesiologie bei Weill Cornell Medicine, haben dies bereits getan erhebliche Fortschritte beim Verständnis, wie cAMP/cGMP CNG-Kanäle regulieren. In einem 2018 PapierBeispielsweise verwendeten sie Hochgeschwindigkeits-AFM, um zu zeigen, wie ein bakterieller CNG-Kanal, SthK, die Konformation ändert, wenn es an den Kanalöffner cAMP oder den effektiven Kanalschließer cGMP gebunden wird.

In der neuen Studie haben sie sich wieder zusammengetan und wurden auch von einem Experten für molekulardynamische Modellierung, Dr. Helmut Grubmüller vom Max-Planck-Institut für multidisziplinäre Wissenschaften in Deutschland, unterstützt. Ihre Haupttechnik war diesmal eine AFM-bezogene Kraftmessmethode namens AFM-Einzelmolekül-Kraftspektroskopie, die empfindlich genug ist, um die Bindungskraft von nur einem cAMP- oder cGMP-Molekül an seine Bindungsstelle am Ionenkanal zu messen. Damit und mit Hilfe von Computermodellen quantifizierten sie, wie sich cAMP und cGMP in ihrer Bindungsstärke und -tiefe an derselben Bindungsstelle auf SthK über Wechselwirkungen mit verschiedenen Atomclustern innerhalb der Bindungsstelle unterscheiden.

„Zyklisches AMP kann auf einen stärker gebundenen Zustand zugreifen, das heißt, es bleibt im Vergleich zu cGMP länger an seiner Bindungsstelle am Ionenkanal, was darauf hindeutet, dass dieser tief gebundene Zustand der Schlüssel zur Kanalaktivierung ist“, sagte der Erstautor der Studie, Dr Yangang Pan, Postdoktorand im Scheuring-Labor.

Der SthK-Kanal ist nur ein Modell für CNG-Kanäle von Säugetieren, und die Forscher planen zukünftige Studien mit CNG-Kanälen von Säugetieren. Aber sie glauben, dass ihre SthK-Ergebnisse bereits den grundlegenden Mechanismus beleuchten, wie cAMP und cGMP als Regulatoren in ihren vielen Rollen in der Biologie funktionieren.

„Bindungsstellen für cAMP/cGMP finden sich nicht nur auf Ionenkanälen, sondern auch auf Signalenzymen, Transkriptionsfaktoren und anderen Proteinen“, sagte Dr. Nimigean. „Wir vermuten, dass die Natur in jedem Fall abgestimmt hat, wie diese Proteine ​​cAMP/cGMP erkennen, in Übereinstimmung mit den Funktionen dieser Proteine.“