Wissenschaftler enthüllen das Innenleben eines essentiellen Proteintransportkomplexes

Wie Postboten, die es schaffen, ihre Pakete durch Schnee, Regen, Hitze und Dunkelheit zuzustellen, hilft eine wichtige Gruppe von Säugetierproteinen den Zellen, auch unter nicht idealen Bedingungen ordnungsgemäß zu funktionieren.

Mithilfe modernster Zellbildgebungs- und Genombearbeitungstechnologie haben Wissenschaftler der University of Wisconsin-Madison damit begonnen, herauszufinden, wie diese Proteinsammlung ihre wesentliche Aufgabe erfüllt. Die Entdeckung könnte Forschern schließlich dabei helfen, Krankheiten wie Krebs, Diabetes und solche, die eine Immunschwäche verursachen, besser zu verstehen und neue Behandlungsmethoden zu entwickeln.

Unter der Leitung von Anjon Audhya, einem Professor in der Abteilung für Biomolekulare Chemie, wollte das Forschungsteam besser verstehen, wie der Hüllproteinkomplex II (COPII) funktioniert. COPII ist eine enorm wichtige Gruppe von Proteinen, die für den Transport von etwa einem Drittel aller Proteine ​​verantwortlich ist, die in Säugetierzellen funktionieren.

COPII war Gegenstand des Nobelpreises für Physiologie oder Medizin 2013, der an drei Wissenschaftler für ihre Arbeit zur Definition der Sortierung und des Transports von Proteinen in Zellen verliehen wurde. Diese neue Forschung baut auf einigen dieser Entdeckungen auf.

In Säugetierzellen gibt es Millionen von Proteinen, die vielfältige Aufgaben erfüllen. Zellen müssen sicherstellen, dass Proteine ​​effizient an die richtigen Stellen transportiert werden, damit sie ihre zellulären Aufgaben erfüllen können – eine komplizierte Aufgabe, die Präzision erfordert. Frühere Untersuchungen identifizierten COPII als einen wesentlichen Teil dieses Prozesses, aber niemand hatte genau aufgezeichnet, wie dieser Satz von Proteinen andere Proteine ​​verpackt und durch Zellen transportiert.

Zu diesem Zweck verwendeten Audhya und seine Kollegen das Genom-Editierungstool CRISPR/Cas9, um einzelnen Proteinen, die an der Steuerung des Verkehrsflusses innerhalb der Zellen beteiligt sind, einschließlich einiger Proteine, die sie bilden, eine Markierung hinzuzufügen, die chemisch mit einem hellen, fluoreszierenden Farbstoff verknüpft werden konnte der COPII-Komplex. Mit der Markierung konnten die Wissenschaftler die Proteine ​​verfolgen, während sie sich durch lebende Zellen bewegten.

Mithilfe einer Technik namens „Gitter-Lichtblatt-Bildgebung“ verfolgte das Team, wie COPII dabei hilft, zelluläre Proteine, einschließlich Moleküle, die für andere Orte bestimmt sind, dorthin zu bringen, wo sie hin sollen – etwas, das noch nie zuvor getan wurde.

Das Team beschrieben ihren Fortschritt in einem kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Naturkommunikation. Audhya beschrieb es anhand des Postsystems. Die Forscher wussten, dass COPII wie Postangestellte funktioniert, die Pakete abholen und ausliefern, aber sie hatten diese Arbeiter nie verfolgt, während sie Pakete durch die Verteilungs- und Zustellsysteme der Zelle sortierten.

„Wir können jetzt den Umschlag im Briefkasten sehen, sehen, wie der Postbote zum Briefkasten kommt, um den Brief abzuholen, und dann wegfährt“, sagt Audhya, leitender stellvertretender Dekan für Grundlagenforschung, Biotechnologie und Graduiertenstudien an der Universität die Fakultät für Medizin und öffentliche Gesundheit.

Die Forscher fanden heraus, dass dieser Abgabevorgang unter normalen Bedingungen durchschnittlich zwischen 45 und 60 Sekunden dauert. Wenn Zellen jedoch aufgrund bestimmter Krankheiten und Umweltbedingungen eine unterdurchschnittliche Ernährung erhalten, was manchmal der Fall ist, verlangsamt sich dieser Prozess erheblich, bis sich die Zellen im Laufe der Zeit anpassen.

Durch eine Reihe von Experimenten identifizierten Audhya und seine Kollegen ein einzelnes Protein namens Sec23, das dazu beitragen konnte, das Transportsystem von COPII nach einer Störung wiederherzustellen. Als die Wissenschaftler die Produktion von Sec23 in den Zellen erhöhten, stellten sie eine Veränderung in der Geschwindigkeit fest, mit der die Zellen Proteine ​​transportierten, „etwas, womit wir zu Beginn dieser Arbeit nie gerechnet hätten“, sagt Audhya. „Sec23 scheint der zentrale Akteur bei der Regulierung der Funktion des COPII-Komplexes zu sein.“

Die Identifizierung dessen, was Sec23 dazu veranlasst, die COPII-Funktion zu fördern, hat potenzielle Auswirkungen auf eine Reihe von Krankheiten. Beispielsweise wachsen Krebszellen in nährstoffarmen Umgebungen oft enorm, unter anderem dadurch, dass sie mehr bestimmte Proteine ​​produzieren, die das Wachstum fördern. Das Verständnis der molekularen Mechanismen, die dieser Eigenschaft zugrunde liegen, könnte neue Angriffspunkte für Therapien identifizieren.

Darüber hinaus kann ein genaueres Bild des Prozesses, durch den Zellen Proteine ​​richtig vorbereiten und liefern, dazu beitragen, unser grundlegendes Verständnis der ordnungsgemäßen Zellfunktion und der Ursachen von Krankheiten wie Krebs, Typ-2-Diabetes, neurodegenerativen Erkrankungen und Immunstörungen zu verbessern.

„Das Verständnis dieser grundlegenden Prozesse und der in Zellen vorhandenen Regulierungssysteme kann letztendlich den Weg für die Entwicklung rationalerer Ansätze zur Krankheitsintervention ebnen“, sagt Audhya.