Molekulares Rätsel gelöst – Harvard-Wissenschaftler haben einen bisher unbekannten Weg für Zellen entdeckt, Proteine ​​abzubauen

Dieser Mechanismus baut kurzlebige Proteine ​​ab, die die Gehirn- und Immunfunktion unterstützen

Kurzlebige Proteine ​​steuern die Genexpression in Zellen und erfüllen wichtige Aufgaben, die von der Unterstützung der Gehirnkommunikation bis zur Stärkung der körpereigenen Immunantwort reichen. Diese Proteine ​​stammen aus dem Zellkern und werden nach Erfüllung ihres Zwecks schnell abgebaut.

Der Mechanismus hinter dem Abbau dieser lebenswichtigen Proteine ​​und ihrer Entfernung aus den Zellen blieb den Forschern jahrzehntelang ein Rätsel, bis heute.

In einer abteilungsübergreifenden Zusammenarbeit haben Forscher der Harvard Medical School ein Protein namens Medullinulin identifiziert, das eine Schlüsselrolle beim Abbau vieler kurzlebiger Kernproteine ​​spielt. Die Studie zeigt, dass Medulin dies tut, indem es Proteine ​​direkt angreift und sie in das zelluläre Abfallentsorgungssystem, das sogenannte Proteasom, schleppt, wo sie zerstört werden.

Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlicht Wissenschaften.

„Diese besonders kurzlebigen Proteine ​​sind seit mehr als 40 Jahren bekannt, aber niemand hat herausgefunden, wie sie tatsächlich abgebaut werden“, sagte Co-Hauptautor Shen Guo, wissenschaftlicher Mitarbeiter für Neurobiologie am HMS.

Da die durch diesen Prozess abgebauten Proteine ​​Gene mit wichtigen Funktionen im Zusammenhang mit dem Gehirn, dem Immunsystem und der Entwicklung modulieren, könnten Wissenschaftler den Prozess möglicherweise als eine Möglichkeit nutzen, den Proteinspiegel zu steuern, um diese Funktionen zu verändern und etwaige Fehlfunktionen zu beheben.

„Der Mechanismus, den wir gefunden haben, ist sehr einfach und sehr elegant“, fügte Co-Hauptautor Christopher Nardoni, Doktorand in Genetik an der HMS, hinzu. „Es ist eine grundlegende wissenschaftliche Entdeckung, aber es gibt viele Auswirkungen auf die Zukunft.“

Molekulares Rätsel

Es ist allgemein bekannt, dass Zellen Proteine ​​abbauen können, indem sie sie an ein kleines Molekül namens Ubiquitin binden. Die Markierung teilt dem Proteasom mit, dass die Proteine ​​nicht mehr benötigt werden, und es zerstört sie. Ein Großteil der bahnbrechenden Forschung zu diesem Prozess wurde vom verstorbenen Fred Goldberg an der HMS durchgeführt.

Manchmal baut das Proteasom jedoch Proteine ​​ohne die Hilfe von Ubiquitin-Tags ab, was Forscher zu der Annahme veranlasst, dass es sich um einen anderen Ubiquitin-unabhängigen Mechanismus der Proteolyse handelt.

„In der wissenschaftlichen Literatur gab es vereinzelte Hinweise darauf, dass das Proteasom unmarkierte Proteine ​​irgendwie direkt abbauen könnte, aber niemand verstand, wie das passieren konnte“, sagte Nardoni.

Eine Gruppe von Proteinen, die offenbar durch einen alternativen Mechanismus abgebaut werden, sind stimuliinduzierte Transkriptionsfaktoren: Proteine, die als Reaktion auf zelluläre Reize, die zum Zellkern wandern, um Gene einzuschalten, schnell synthetisiert werden und anschließend schnell zerstört werden.

„Was mich zunächst umgehauen hat, ist, dass diese Proteine ​​sehr instabil sind und eine sehr kurze Halbwertszeit haben – sobald sie produziert sind, erledigen sie ihre Arbeit und werden danach sehr schnell abgebaut“, sagte Joe.

Diese Transkriptionsfaktoren unterstützen eine Reihe wichtiger biologischer Prozesse im Körper, aber selbst nach jahrzehntelanger Forschung ist „der Mechanismus ihres Umsatzes weitgehend unbekannt“, sagte Michael Greenberg, Nathan March Posey-Professor für Neurobiologie am HMS Blavatnik Institute und in Harvard Universität. . Co-Autor dieses Artikels mit Stephen Eledge, Gregor Mendel Professor für Genetik und Medizin an der HMS und am Brigham and Women’s Hospital.

Von einer Handvoll bis zu Hunderten

Um diesen Mechanismus zu untersuchen, begann das Team mit zwei bekannten Transkriptionsfaktoren: Fos, das in Greenbergs Labor ausführlich auf seine Rolle beim Lernen und Gedächtnis untersucht wurde, und EGR1, das an der Zellteilung und dem Überleben beteiligt ist. Mithilfe modernster Proteomik und genetischer Analysen, die in Elledges Labor entwickelt wurden, konzentrierten sich die Forscher auf Medulin als ein Protein, das beim Abbau von Transkriptionsfaktoren hilft. Folgeexperimente ergaben, dass Medulin neben Fos und EGR1 möglicherweise auch am Abbau Hunderter anderer Transkriptionsfaktoren im Zellkern beteiligt ist.

Gu und Nardone erinnern sich, dass sie angesichts ihrer Ergebnisse schockiert und skeptisch waren. Um ihre Ergebnisse zu bestätigen, entschieden sie, dass sie genau wissen mussten, wie Medulin auf viele verschiedene Proteine ​​abzielt und diese abbaut.

„Nachdem wir alle diese Proteine ​​identifiziert hatten, gab es viele spannende Fragen darüber, wie der Medullinolen-Mechanismus tatsächlich funktioniert“, sagte Nardoni.

Mit Hilfe von a maschinelles Lernen Mit einem Tool namens AlphaFold, das Proteinstrukturen vorhersagt, sowie den Ergebnissen einer Reihe von Laborexperimenten konnte das Team die Details des Mechanismus aufklären. Sie zeigten, dass Medulin über eine „Fangdomäne“ verfügt – eine Region des Proteins, die andere Proteine ​​aufnimmt und sie direkt dem Proteasom zuführt, wo sie abgebaut werden. Diese Catch-Domäne besteht aus zwei separaten, miteinander verbundenen Regionen Aminosäuren (denken Sie an Handschuhe an einer Schnur), die einen relativ unstrukturierten Bereich des Proteins einfangen, wodurch Medullin viele verschiedene Arten von Proteinen einfangen kann.

Bemerkenswert sind Proteine ​​wie Fos, die für die Aktivierung von Genen verantwortlich sind, die Neuronen im Gehirn dazu veranlassen, sich als Reaktion auf Reize zu verbinden und neu zu verdrahten. Andere Proteine ​​wie IRF4 aktivieren Gene, die das Immunsystem unterstützen, indem sie dafür sorgen, dass Zellen funktionsfähige B- und T-Zellen bilden können.

„Der aufregendste Aspekt dieser Studie ist, dass wir nun einen neuen allgemeinen Mechanismus verstehen, der unabhängig von der Ubiquitylierung Proteine ​​abbaut“, sagte Elledge.

Verlockendes Übersetzungspotenzial

Kurzfristig wollen die Forscher tiefer in den von ihnen entdeckten Mechanismus eintauchen. Sie planen, Strukturstudien durchzuführen, um die Feinheiten der Aufnahme und des Abbaus von Proteinen besser zu verstehen. Sie züchten auch Mäuse, denen Linulin fehlt, um die Rolle des Proteins in verschiedenen Zellen und Entwicklungsstadien zu verstehen.

Die Wissenschaftler sagen, dass ihre Ergebnisse ein verlockendes Übersetzungspotenzial haben. Es könnte einen Weg darstellen, den Forscher nutzen können, um die Konzentration von Transkriptionsfaktoren zu steuern und so die Genexpression und damit verbundene Prozesse im Körper zu modulieren.

„Der Proteinabbau ist ein kritischer Prozess, und seine Deregulierung liegt vielen Störungen und Krankheiten zugrunde“, sagte Greenberg, darunter einige neuropsychiatrische Erkrankungen sowie einige Krebsarten.

Wenn Zellen beispielsweise zu viele oder zu wenige Transkriptionsfaktoren wie Fos enthalten, können Lern- und Gedächtnisprobleme auftreten. Beim multiplen Myelom werden Krebszellen vom Immunprotein IRF4 abhängig, sodass dessen Anwesenheit Krankheiten begünstigen kann. Forscher sind besonders daran interessiert, Krankheiten zu identifizieren, die gute Kandidaten für die Entwicklung von Therapien sein könnten, die über den Mandulin-Proteasom-Weg wirken.

„Ein Bereich, den wir aktiv erforschen, besteht darin, die Spezifität des Mechanismus so anzupassen, dass er gezielt Proteine ​​von Interesse analysieren kann“, sagte Gu.

Referenz: „The Medulin Proteasome Pathway Captures Proteins for Ubiquitin-Independent Degradation“ von Shen Guo, Christopher Nardoni, Nolan Kamitaki, Uyo Mao, Stephen J. Eledge und Michael E. Greenberg, 25. August 2023, hier verfügbar. Wissenschaften.
doi: 10.1126/science.adh5021

Die Finanzierung erfolgte durch ein National Mah Jongg League Fellowship der Damon Runyon Foundation for Cancer Research, ein Graduate Research Fellowship der National Science Foundation und Nationales Gesundheitsinstitut (T32 HG002295; R01 NS115965; AG11085).