Rhomboidproteasen sind ein vielversprechendes Ziel für neue Medikamente. Jetzt haben Forscher des Leibniz-Forschungsinstituts für Molekulare Pharmakologie (FMP) einen Mechanismus zur Regulierung der Enzymaktivität entdeckt. Die Schlüsselrolle spielt die Dynamik des vor einigen Jahren entdeckten Tores, das sich bei der Spaltung anderer Proteine kurzzeitig öffnet.
Die Tore befinden sich in der Zellmembran und spalten andere Proteine und lösen so eine Signalkaskade in der Zelle aus: Rhomboidproteasen sind als Enzym an mehreren biologischen Prozessen im menschlichen Körper beteiligt und spielen eine Schlüsselrolle bei einer Reihe von Krankheiten wie Parkinson, Malaria und Krebs. Sie gelten daher als vielversprechendes Ziel für neue Medikamente. Aufgrund ihrer Lokalisierung sind diese intramembranären Proteine jedoch schwierig zu untersuchen.
Im Jahr 2019 gelang es der Forschungsgruppe von Professor Adam Lange vom Berliner Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) erstmals, dynamische Bilder von Rhomboidproteasen zu erstellen – und zwar mithilfe der Festkörper-NMR-Spektroskopie. In ihrer Arbeit konnten die Forscher die Vermutung bestätigen, dass sich zur Spaltung anderer Proteine kurzzeitig ein Tor öffnet, das es den Substraten ermöglicht, von der ansonsten wasserfreien Zellmembran zum wasserhaltigen aktiven Zentrum des Enzyms zu gelangen. Dadurch können sich Substrate der nun gespaltenen Proteine von der Zellmembran lösen und verschiedenste biologische Prozesse in der Zelle auslösen.
Demonstration der Korrelation zwischen Gate-Dynamik und Enzymaktivität
In ihrer aktuellen Studie im Rahmen des Exzellenzclusters UniSysCat haben FMP-Forscher nun gezeigt, welche Bedeutung das Tor für die Funktion von Rhomboidproteasen hat. Die Ergebnisse wurden kürzlich in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte. Der Studie zufolge besteht ein klarer Zusammenhang zwischen der Gate-Dynamik und der Enzymaktivität.
Ihre aktuelle Arbeit umfasste nicht nur Festkörper-NMR-Spektroskopie, sondern auch andere biophysikalische Methoden und biochemische Funktionstests sowie Molekulardynamiksimulationen. „Um zu verstehen, wie rhomboide Proteasen funktionieren, haben wir dieses Mal eine ganze Reihe experimenteller und theoretischer Techniken und Ansätze kombiniert“, bemerkte Projektleiter Adam Lange. „Es war wirklich ein Höhepunkt dieser Arbeit.“
Für ihre Experimente nutzten die Forscher ein biophysikalisches Modell. Rhomboidproteasen aus E. coli-Bakterien (GlpG) – ähnliche Moleküle kommen auch in menschlichen Mitochondrien vor – wurden biochemisch verändert, um verschiedene Mutanten zu erzeugen. Diese Mutanten hatten entweder ein bewegliches oder umgekehrt ein geschlossenes Tor. Wenn die Mutationen das Öffnen des Tores erleichterten, erhöhte sich die Enzymaktivität; Bei geschlossenem Tor kam die Aktivität zum Erliegen, das Substrat stieß gegen „geschlossene Türen“ und konnte nicht mehr verarbeitet werden.
Molekulardynamiksimulationen, die von der Forschungsgruppe von Professor Han Sun durchgeführt wurden, unterstützten und erweiterten die experimentellen Ergebnisse. „Wir konnten zum Beispiel am Computer genau simulieren, wie weit das Tor geöffnet sein muss, um Substrate durchzulassen“, erklärt Han Sun.
Auch FMP-Doktorandin Claudia Bohg, Erstautorin der aktuellen Arbeit, ist an der parallel am FMP stattfindenden Suche nach neuen Verbindungen beteiligt. „Rhomboide Proteasen sind ein klinisch wichtiges Ziel“, bemerkte sie. „Die neuen Erkenntnisse werden uns zweifellos auch in diesem Bereich dabei helfen, deutliche Fortschritte zu erzielen.“
Mehr Informationen:
Claudia Bohg et al, Die Öffnungsdynamik des lateralen Tors reguliert die Aktivität rhomboider Proteasen, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh3858