Wie sich Proteine ​​zusammensetzen, spielt möglicherweise eine unterschätzte Rolle bei Krankheiten

Dank der Fortschritte in der Genomik in den letzten Jahrzehnten kennen Forscher heute die genetischen Mutationen, die für viele Krankheiten verantwortlich sind. Forscher wissen jedoch oft immer noch nicht, wie die Mutation zu der Krankheit führt – was sie im Inneren von Zellen verändert, um Symptome zu verursachen. Das Herausfinden dieses fehlenden Teils, des Krankheitsmechanismus, fördert nicht nur das Verständnis der Krankheit, sondern kann auch für die Entwicklung einer Behandlung oder Vorbeugung von entscheidender Bedeutung sein. Wenn Forscher beispielsweise wissen, dass eine Mutation zur Bildung eines fehlerhaften Proteins führt und dass die Ansammlung dieses fehlerhaften Proteins die Krankheit verursacht, können sie Medikamente entwickeln, die zur Zerstörung des Proteins führen.

Forscher im Labor von Richard Young, Mitglied des Whitehead Institute, haben einen Prozess namens biomolekulare Kondensation untersucht, der dabei hilft, zu organisieren, wo Moleküle in Zellen landen, und sie vermuteten, dass die Unterbrechung dieses Prozesses ein unterschätzter, häufiger Krankheitsmechanismus sein könnte. Kondensate sind Strukturen, die sich bilden, wenn viele Moleküle lose ineinandergreifen, um ein Tröpfchen zu bilden, das sich von den anderen Inhalten der Zelle trennt, wie ein Öltropfen, der in Wasser suspendiert ist. Die neuesten Forschungsergebnisse des Young Lab, veröffentlicht in Entwicklungszelle am 8. Juli, deutet darauf hin, dass die Störung von Kondensaten tatsächlich bei allen Krankheitstypen im ganzen Körper allgegenwärtig ist. Das Papier bietet Forschern einen Katalog wahrscheinlicher Fälle. Sie hoffen, dass dieser Katalog zum besseren Verständnis von Krankheiten, bei denen Kondensate eine Rolle spielen, und letztendlich zur Entwicklung neuer Therapien für diese Krankheiten verwendet wird.

Wachsendes Bewusstsein für Kondensatbiologie

Nur bestimmte Moleküle – einige Proteine ​​und RNAs – bilden Kondensate, weil sie Bereiche enthalten, die sich lose aneinander binden können. Die meisten Proteine ​​haben Regionen, die nur an bestimmte Moleküle sehr stark binden, wie ein Schlüssel, der fest in ein Schloss gesteckt wird. Kondensatbildende Proteine ​​neigen stattdessen dazu, viele lockere, weniger spezifische Verbindungen miteinander einzugehen und sich in hohen Konzentrationen zu verzahnen, bis sie ein Tröpfchen bilden. Zellen verwenden Kondensate, um Moleküle dort zu sammeln, wo sie innerhalb der Zelle benötigt werden – zum Beispiel können Moleküle, die zur Transkription von Genen benötigt werden, Kondensate in der Nähe dieser Gene bilden.

Kondensatforscher wie Young, der auch Professor für Biologie am Massachusetts Institute of Technology ist, haben in den letzten Jahren gezeigt, dass Kondensate bei vielen wichtigen zellulären Prozessen eine Rolle spielen. Es wurde auch gezeigt, dass eine Kondensatstörung bei einer kleinen, aber wachsenden Zahl von Krankheiten auftritt, insbesondere bei neurodegenerativen Erkrankungen. Wenn Forscher jedoch nach Krankheitsmechanismen suchen, wird die Kondensatstörung oft nicht berücksichtigt. Angesichts der Tatsache, wie häufig Kondensate eine Rolle in der gesunden Biologie spielen, vermuteten die Young-Laborforscher, dass ihre Störung bei Krankheiten üblich sein könnte. Salman Banani, Postdoc im Young-Labor und Co-Erstautor, der auch Pathologe am Brigham and Women’s Hospital ist, begann während seiner klinischen Ausbildung einen solchen Verdacht zu schöpfen, als er sich genetische Sequenzierungsdaten von Krebspatienten ansah.

„Das Ziel bestand darin, die klinische Relevanz der Mutationen in den Genomen der Tumore zu bewerten und zu beurteilen, wie sich dies auf die Versorgung der einzelnen Patienten auswirken könnte. Mir ist aufgefallen, dass viele der Mutationen, die ich untersuchte, verdächtigerweise Regionen des Proteins beeinflussten, von denen ich dachte, dass sie beteiligt sein könnten in Kondensation“, sagt Banani. „Das veranlasste mich zu der Frage, wie oft menschliche Krankheitsmutationen kondensatbildende Regionen betreffen, ob wir eine möglicherweise weit verbreitete Ursache menschlicher Krankheiten übersehen haben und ob Pathologen Kondensationseigenschaften bei einer unserer Bewertungen von Mutationen berücksichtigen sollten.“

Als Banani dem Young-Labor beitrat, war ihm die potenzielle klinische Bedeutung von Mutationen in kondensatbildenden Proteinen frisch in den Sinn gekommen. Doktoranden im Young-Labor und Co-Erstautorinnen der Veröffentlichung Lena Afeyan und Susana Wilson Hawken, die untersucht hatten, wie Medikamente mit Kondensaten interagieren, waren ebenfalls gespannt darauf, die Frage anzugehen, inwieweit Kondensate zu Krankheiten beitragen.

Kondensate und Krankheit

Die Forscher stellten eine Liste von Proteinen zusammen, von denen angenommen wird, dass sie Kondensate bilden, und kartierten die Orte der kondensatbildenden Regionen innerhalb jedes Proteins. Sie erstellten auch eine Liste genetischer Mutationen, von denen bekannt ist, dass sie eine Vielzahl von Krankheiten verursachen oder zu ihnen beitragen, einschließlich Krankheiten, bei denen eine Mutation eines einzelnen Gens für die Krankheit und eine Reihe von Krebsarten verantwortlich ist. Als nächstes ordneten die Forscher jede Mutation dem Teil jedes Proteins zu, das sie betrifft. Aus dieser Arbeit erstellten sie eine Liste von krankheitsverursachenden Mutationen, die in den kondensatbildenden Regionen der Proteine ​​auftreten. Sie stellten die Hypothese auf, dass diese Mutationen höchstwahrscheinlich die Fähigkeit der Proteine ​​beeinträchtigen würden, Kondensate zu bilden.

Am Ende hatten die Forscher einen Katalog von mehr als 36.000 krankheitsverursachenden Mutationen, die mehr als 1.000 Proteine ​​betreffen und wahrscheinlich Kondensate stören. Die Mutationen im Katalog tragen zu mehr als 1.700 Krankheiten bei, darunter mehr als 550 Krebsarten, die zusammengenommen jeden Teil des Körpers betreffen. Jetzt, so hoffen die Forscher, können Menschen, die diese Krankheiten untersuchen, ihren Katalog als Ausgangspunkt verwenden, um zu testen, ob die Kondensationsstörung tatsächlich ein Mechanismus ist, der der Krankheit zugrunde liegt. Dies kann wiederum Möglichkeiten bieten, Therapien zu entwickeln, die auf Kondensate abzielen.

„Wenn wir jetzt wissen, dass eine Mutation ein Protein betrifft, das sich wahrscheinlich in einem Kondensat befindet, können wir in Zellen testen, ob und wie sich die Mutation auf die Kondensate auswirkt und ob dieser Effekt für die zugrunde liegende Krankheit relevant ist“, sagt Wilson Hawken. „Dann könnten wir eine Reihe von Medikamenten testen, um zu sehen, ob wir die normale Kondensatbildung retten können und ob dies eine gute Möglichkeit wäre, diese bestimmte Krankheit zu behandeln.“

Die Forscher testeten eine Probe der Proteine ​​und Mutationen aus ihrem Katalog, um zu überprüfen, ob der Katalog ein guter Prädiktor für Mutationen ist, die Kondensate stören. Sie wählten dreizehn Proteine ​​aus, die in embryonalen Stammzellen der Maus Kondensate bilden können, und fügten den Proteinen in diesen Zellen relevante krankheitsverursachende Mutationen hinzu. Von den fünfzehn Mutationen, die sie einführten, zerstörten dreizehn Kondensate; Diese hohe Störungsrate deutet darauf hin, dass der Katalog ein starkes Vorhersageinstrument ist.

Interessanterweise haben verschiedene Mutationen Kondensate auf unterschiedliche Weise zerstört. Der häufigste Effekt bestand darin, die Fähigkeit der Proteine, sich mit Kondensaten zu verbinden, zu verringern. Eine Mutation erhöhte jedoch stattdessen die Fähigkeit der Proteine, Kondensate zu verbinden, und eine andere wirkte sich darauf aus, wo die Kondensate in den Zellen landeten – überall in der Zelle, anstatt im Zellkern enthalten zu sein. Die Bestimmung der spezifischen Art und Weise, in der eine Mutation Kondensate beeinflusst, wird wichtig sein, um Krankheitsmechanismen zu verstehen und Medikamente zu entwickeln, um die Auswirkungen der Mutation umzukehren.

„Dieser Katalog ist ein großartiger Ausgangspunkt, um viele Fragen zur Kondensatdysregulation als Krankheitsmechanismus zu stellen, z. B. wie beeinflussen Änderungen in den Eigenschaften von Kondensaten die zellulären Prozesse, die in diesen Kondensaten ablaufen? Wir und andere glauben, dass Kondensate tiefgreifende Auswirkungen haben könnten für Krankheits- und Arzneimittelentwicklung, so wie sie es in der grundlegenden Molekularbiologie getan haben, und wir hoffen, dass wir mit diesem Katalog die Eintrittsbarriere für viel mehr Krankheitsforscher senken können, damit sie mit ihrer Untersuchung beginnen können“, sagt Afeyan.

Die Forscher hoffen, dass sich ihr Katalog in der Forschung anderer als nützlich erweist, und sie hoffen auch, dass er das Bewusstsein für die wahrscheinliche Verbreitung von Kondensations-Dysregulation bei Krankheiten schärft, sogar über die Fälle im Katalog hinaus.

„Wahrscheinlich gibt es viele Fälle, die der Katalog nicht abdeckt, etwa wenn die Mutation das kondensatbildende Protein nicht direkt betrifft, sondern einen seiner Regulatoren“, sagt Young. „Ich denke, wir sehen gerade die Spitze des Eisbergs in Bezug auf die Prävalenz von Kondensat-Dysregulation bei Krankheiten. Meine Vision für die Zukunft ist, dass Forscher ein Kondensat-Modell unter den konventionellen Modellen in Betracht ziehen werden, wenn sie nach dem potenziell zugrunde liegenden Krankheitsmechanismus suchen Mutation.“