Wissenschaftler entdecken, wie TGF-Beta seine Botschaft übermittelt, auch wenn es an die Zellmembran gebunden ist

Jahrelang dachten Wissenschaftler, dass TGF-Beta, ein Signalprotein, das Einfluss auf eine erstaunliche Reihe zellulärer Prozesse von der Embryonalentwicklung bis hin zu Krebs hat, seine Arbeit nur dann verrichten könne, wenn es aus einer lassoartigen „Zwangsjacke“ befreit sei.

Doch nun haben Experten der UC San Francisco mithilfe der kryogenen Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) – einer leistungsstarken Technik, die es Wissenschaftlern ermöglicht, bewegte dreidimensionale Modelle von Molekülen mit atomarer Auflösung zu erstellen – entdeckt, dass dieses Protein weitaus raffinierter ist als gedacht.

Es schüttelt und zappelt in seiner Zwangsjacke und streckt ein paar Finger aus, um einen benachbarten Rezeptor zu aktivieren, obwohl es an der Oberfläche der Zelle eingeschlossen ist.

Die Ergebnisse, veröffentlicht am 16. September in Zellejahrzehntealte Dogmen über die Wirkungsweise von TGF-Beta auf den Kopf stellen. Es könnte Wissenschaftlern helfen, die vielen Therapien zu verbessern, die darauf abzielen, es unter Kontrolle zu bringen, darunter eine wichtige neue Klasse von Krebstherapien, sogenannte Checkpoint-Inhibitoren, die weniger gut gewirkt haben als erwartet.

Und auf einer grundlegenderen Ebene zeichnet die Arbeit ein noch wilderes Bild, als sich die Wissenschaftler vorgestellt hatten, da wichtige Akteure wie TGF-Beta unerwartete Formen annehmen, um in unseren Zellen das scheinbar Unmögliche zu erreichen.

„Das Fachgebiet hat sich in der Vergangenheit darauf konzentriert, diese Art von Signalen zu stabilisieren, um ein hochauflösendes Bild zu erhalten, hat dabei aber ignoriert, dass Flexibilität Teil ihrer Funktion sein könnte“, sagte Yifan Cheng, Ph.D., UCSF-Professor für Zell- und Molekularpharmakologie und Co-Seniorautor des Artikels. „Für TGF-Beta spielt diese Flexibilität eine entscheidende Rolle, und wir glauben, dass sie erklären könnte, wie andere, noch wenig verstandene Signale funktionieren – mit Auswirkungen auf das Verständnis und die Behandlung von Krankheiten.“

Ein immobilisiertes Signal schafft es, seine Botschaft zu übermitteln

Vor vier Jahren entdeckten Cheng und sein Co-Autor Dr. Stephen Nishimura, dass TGF-Beta ein Signal an einen Rezeptor senden kann. selbst wenn er in seiner Zwangsjacke stecktdessen wissenschaftlicher Name Latency-Associated Protein (LAP) lautet.

Das Ergebnis widersprach jahrzehntelanger wissenschaftlicher Annahme, dass TGF-Beta von LAP freigesetzt werden muss, um seinen Rezeptor zu erreichen. Wenn es nicht freigesetzt würde, so die Überlegung, würden grundlegende Prozesse, wie etwa die Bildung neuer Zellen im Körper ohne Tumorbildung, schiefgehen.

Doch als das Team eine dauerhafte Verbindung zwischen TGF-Beta und der Zwangsjacke der Mäuse konstruierte, überlebten diese. TGF-Beta konnte seine Aufgabe auch dann noch erfüllen, wenn es an LAP gefesselt war.

Cheng und Nishimura haben sich die Sache mithilfe ihrer Spezialmethode, der Kryo-EM, genauer angesehen.

Bei der Kryo-EM wird eine Mischung aus Proteinen schockgefroren und Hunderttausende von Bildern davon gemacht, um zu sehen, wie sie interagieren. Normalerweise ordnen leistungsstarke Algorithmen diese mikroskopischen Schnappschüsse an, um die häufigsten – und damit wichtigsten – Proteinanordnungen aufzudecken.

Dieser Ansatz lässt jedoch viele Möglichkeiten außer Acht, und frühere Studien sahen nur zwei davon vor: Entweder war TGF-Beta in LAP gebunden und daher inaktiv, oder es konnte ungehindert von einer Zelle zur nächsten wandern und seinen Rezeptor entsperren.

Da die Wissenschaftler der UCSF wussten, dass TGF-Beta in der Lage war, seinen Rezeptor zu entsperren, während es an LAP gebunden war, vermuteten sie, dass diese Proteine ​​möglicherweise weitaus mehr als nur zwei Zustände haben könnten, die – bei Verwendung typischer Kryo-EM-Ansätze – verschwommen erscheinen und ignoriert werden würden.

„Bei der Kryo-EM neigen die Leute dazu, über das zu berichten, was sie am deutlichsten sehen können, aber bei unseren Daten haben wir festgestellt, dass die unscharfen Teile des Bildes eine Bedeutung haben könnten“, sagte Nishimura, Professor für Pathologie an der UCSF. „Also haben wir uns darauf konzentriert.“

Bedeutung der Molekülbewegung

Um die Bewegungen von TGF-Beta in seiner Zwangsjacke besser beobachten zu können, stabilisierten die Wissenschaftler systematisch verschiedene Teile von LAP, TGF-Beta oder beiden und verwendeten dann Kryo-EM, um zu beobachten, wie diese künstlichen Konfigurationen der Moleküle mit dem Rezeptor von TGF-Beta interagierten.

In jedem weiteren Experiment wanderte die in den Daten sichtbare Unschärfe – bekannt als Entropie – zu anderen Stellen auf TGF-Beta, was darauf schließen lässt, dass sie sich trotz der Zwangsjacke noch bewegen konnten.

Dadurch blieb TGF-Beta gerade so weit außerhalb des LAP, dass es vom TGF-Beta-Rezeptor erkannt werden konnte. Die Bewegung war jedoch nur von kurzer Dauer. Doch indem Cheng und Nishimura das System systematisch einschränkten und Schnappschüsse davon machten, gelang ihnen das bisher klarste Bild des Signals, das das scheinbar Unmögliche schaffte.

Die Ergebnisse verändern das grundlegende Verständnis von TGF-Beta und vielen anderen Signalen, die die Kommunikation in und zwischen Zellen steuern. Anstatt einfach zwischen diskreten Formen hin und her zu wechseln, erledigen diese Moleküle ihre Aufgabe manchmal durch flüssigere Bewegungen.

„Von der Zellkommunikation über Zelloberflächenmoleküle bis hin zu TGF-Beta und dann zur Krankheitsmodellierung und Strukturbiologie hoffen wir, dass diese Ergebnisse die Menschen zum Umdenken anregen können“, sagte Cheng. „In den Daten, die wir mit Kryo-EM ausgraben, können eindeutig noch weitere wertvolle Entdeckungen gemacht werden.“

Weitere UCSF-Autoren sind Mingliang Jin, Robert I. Seed, Guoqing Cai, Tiffany Shing, Li Wang, Saburo Ito, Anthony Cormier, Stephanie A. Wankowicz, Jillian M. Jespersen, Jody L. Baron, Nicholas D. Carey, Melody G. Campbell, Zanlin Yu, Weihua Wen, Jianlong Lou und James Marks.