Wissenschaftler machen eine seltene Entdeckung einer Proteinfunktion, die für Bakterien und Menschen universell ist

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass ein menschliches Rezeptorprotein die Fähigkeit hat, einzelne Aminosäuren genau so zu erkennen wie Bakterien.

Die Entdeckung könnte zu Verbesserungen von Arzneimitteln führen, die aus der Aminosäure GABA gewonnen werden, hat aber auch evolutionäre Auswirkungen: Sie ergänzt die spärlichen Beweise, die darauf hindeuten, dass es Gemeinsamkeiten zwischen Bakterien und Menschen gibt, wenn es darum geht, das Vorhandensein wesentlicher Bestandteile des Lebens wie Sauerstoff zu erkennen und Essen.

Rezeptoren auf Zelloberflächen erkennen alle Arten von Nährstoffen – beispielsweise Fette, Zucker und Vitamine – verwenden jedoch verschiedene Arten von Proteinsegmenten, die als Sensoren bezeichnet werden, und derzeit ist kein allgemeiner chemischer Detektionsmechanismus bekannt.

In dieser Arbeit entdeckten die Wissenschaftler einen universellen Sensor, der in vielen verschiedenen Rezeptoren vorhanden ist und Aminosäuren erkennt, indem er präzise mit den beiden Atomgruppen interagiert, die allen Aminosäuren gemeinsam sind.

„Zum ersten Mal haben wir den universellen Weg zum Nachweis von Aminosäuren gefunden. Nahezu jeder Organismus kann dies durch diesen Mechanismus tun“, sagte Igor Jouline, leitender Autor der Studie und Professor für Mikrobiologie an der Ohio State University.

„Unserer Erfahrung nach ist es sehr selten, dass wir eine ganz bestimmte sensorische Funktion so genau von Bakterien auf den Menschen übertragen können, weil diese Lebensformen durch eine so lange Evolutionszeit getrennt sind – etwa 3 Milliarden Jahre.“

Die Studie erscheint heute (1. März 2022) in Proceedings of the National Academy of Sciences.

Aminosäuren sind die Bausteine ​​des Lebens, sie setzen aus den in den Genen gespeicherten Informationen Proteine ​​zusammen, die den größten Teil der Arbeit in den Zellen verrichten.

In früheren Studien eines Bakteriums, das menschliche Infektionen verursacht, fanden das Labor von Jouline und seine Mitarbeiter in Spanien mehrere Rezeptoren, die Aminosäuren erkannten, und identifizierten ein strukturelles Merkmal, das alle diese Proteine ​​gemeinsam hatten. Um diese Eigenschaft besser zu verstehen, suchte der Erstautor Vadim Gumerov, ein Forscher im Jouline-Labor, nach anderen Organismen mit ähnlichen Rezeptoren, durchsuchte und verglich genomische Daten, um dieses sehr spezifische strukturelle Merkmal, das als Motiv bezeichnet wird und Amino nachweist, einzugrenzen Säuren. Durch die Analyse von Sequenz- und Strukturinformationen identifizierte Gumerov das Aminosäurebindungsmotiv in menschlichen Rezeptoren.

Dieses Motiv befindet sich in einem nach außen gerichteten Segment des Proteins, das die äußere Membran einer Zelle durchquert. Durch die Kombination ihrer Berechnungen mit verfügbaren experimentellen Daten stellte das Team fest, dass dieses Motiv in Proteinen vorhanden ist, die in Organismen vorkommen, die den Baum des Lebens umfassen, mit Ausnahme von Pilzen und einigen Pflanzenarten. Weitere Analysen zeigten, dass alle motivhaltigen Proteine ​​Aminosäuren binden – und nur Aminosäuren.

In Bakterien hilft dieser Sensor den Organismen, zu Aminosäuren zu navigieren, einer wichtigen Nahrungsquelle.

„Es ist ein Teil eines primitiven Nervensystems für Bakterien, das Signale erkennt und ihnen hilft, Entscheidungen zu treffen“, sagte Jouline. „Es gibt eine spektakuläre Parallele, weil dieser Aminosäuresensor beim Menschen auch Teil des Nervensystems ist. Wir haben diesen Sensor in menschlichen Kalziumkanälen identifiziert, die die Freisetzung von Neurotransmittern aus Synapsen in mehreren neuronalen Geweben modulieren. Eine Fehlfunktion dieser Kalziumkanäle führt zu Neuropathien Schmerzen.“

Hier kommt GABA ins Spiel. Vor dieser Studie wussten Arzneimittelentwickler, dass aus GABA (Gamma-Aminobuttersäure) gewonnene Medikamente zur Behandlung von neuropathischen Schmerzen, Fibromyalgie und Krampfanfällen die mit diesen Störungen verbundenen Symptome lindern, indem sie sich an ein Protein im menschlichen Nervensystem anlagern.

Es stellt sich heraus, dass dieses Protein dasjenige ist, das das Forscherteam beim Menschen gefunden hat und das das Motiv enthält, das den Nachweis von Aminosäuren, einschließlich GABA, ermöglicht.

Mitarbeiter im Vereinigten Königreich halfen dabei, diesen Befund zu bestätigen, indem sie die Auswirkungen der Mutation des Motivs in Experimenten mit einem Rattenprotein testeten, das genau so funktioniert wie das menschliche Protein. Die Veränderung des Motivs veränderte die Funktion des gesamten Rezeptors und verhinderte, dass das von GABA abgeleitete Medikament Gabapentin eine effektive Verbindung herstellte.

„Unsere Arbeit löst keine pharmakologischen Probleme, aber sie hat genau gezeigt, wo an das menschliche Protein GABA-Medikamente binden und auch wie sie binden“, sagte Jouline. „Das ist wichtig, denn wenn sie es jetzt verbessern oder verschiedene Versionen des Medikaments testen wollen, kennen sie die genaue chemische Umgebung. Wir liefern diese beiden fehlenden Punkte – welcher Teil des Medikaments an welche Aminosäure des Proteins binden wird , und wie es im 3D-Raum ausgerichtet ist.“

Obwohl es vielleicht nie eine endgültige Antwort auf die uralte Frage geben wird, was genau Bakterien und Menschen biologisch gemeinsam haben, hat Jouline eine breitere Suche nach Sensoren begonnen, die eine Rolle bei der Erhaltung des Lebens spielen.

„Jetzt wissen wir, wo wir suchen müssen – nicht bei ganzen Proteinen, sondern nur bei ihren Segmenten, die an der Erkennung physikalischer und chemischer Parameter beteiligt sind, die für alle lebenden Systeme wichtig sind“, sagte er.