Moleculair mysterie opgelost – Harvard-wetenschappers hebben een voorheen onbekende manier ontdekt waarop cellen eiwitten kunnen afbreken

Dit mechanisme breekt kortlevende eiwitten af ​​die de hersen- en immuunfunctie ondersteunen

Kortlevende eiwitten controleren de genexpressie in cellen en vervullen een cruciale rol, variërend van het ondersteunen van de hersencommunicatie tot het stimuleren van de immuunrespons van het lichaam. Deze eiwitten komen uit de kern en worden snel afgebroken nadat ze hun doel hebben bereikt.

Het mechanisme achter de afbraak van deze essentiële eiwitten en de verwijdering ervan uit cellen is decennialang een mysterie gebleven voor onderzoekers, tot nu toe.

In een interdepartementale samenwerking hebben onderzoekers van de Harvard Medical School een eiwit geïdentificeerd, medullinuline genaamd, dat een sleutelrol speelt bij de afbraak van veel kortlevende nucleaire eiwitten. Uit het onderzoek blijkt dat meduline dit doet door eiwitten direct op te pakken en deze naar het cellulaire afvalverwerkingssysteem, het proteasoom, te slepen, waar ze worden vernietigd.

De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappen.

“Deze specifiek kortlevende eiwitten zijn al meer dan 40 jaar bekend, maar niemand heeft vastgesteld hoe ze daadwerkelijk worden afgebroken”, zegt co-hoofdauteur Shen Guo, een onderzoekscollega in de neurobiologie bij HMS.

Omdat de eiwitten die door dit proces worden afgebroken, genen moduleren met belangrijke functies die verband houden met de hersenen, het immuunsysteem en de ontwikkeling, kunnen wetenschappers uiteindelijk het proces richten als een manier om de eiwitniveaus onder controle te houden om deze functies te veranderen en eventuele storingen te corrigeren.

“Het mechanisme dat we hebben gevonden is heel eenvoudig en zeer elegant”, voegde co-hoofdauteur Christopher Nardoni toe, een promovendus in de genetica bij HMS. “Het is een fundamentele wetenschappelijke ontdekking, maar er zijn veel implicaties voor de toekomst.”

Moleculaire puzzel

Het is algemeen bekend dat cellen eiwitten kunnen afbreken door ze te binden aan een klein molecuul dat ubiquitine wordt genoemd. De tag vertelt het proteasoom dat de eiwitten niet langer nodig zijn en vernietigt ze. Een groot deel van het baanbrekende onderzoek naar dit proces werd gedaan door wijlen Fred Goldberg van HMS.

Soms breekt het proteasoom echter eiwitten af ​​zonder de hulp van ubiquitine-tags, waardoor onderzoekers een ander ubiquitine-onafhankelijk mechanisme van proteolyse vermoeden.

“Er was verspreid bewijs in de wetenschappelijke literatuur dat het proteasoom op de een of andere manier ongemarkeerde eiwitten direct kon afbreken, maar niemand begreep hoe dat kon gebeuren,” zei Nardoni.

Een groep eiwitten die door een alternatief mechanisme lijkt te worden afgebroken, zijn door stimuli geïnduceerde transcriptiefactoren: eiwitten die snel worden gesynthetiseerd als reactie op cellulaire stimuli die naar de celkern reizen om genen aan te zetten, waarna ze snel worden vernietigd.

“Wat me aanvankelijk verbaasde, is dat deze eiwitten erg onstabiel zijn en een zeer korte halfwaardetijd hebben. Als ze eenmaal zijn geproduceerd, doen ze hun werk, en heel snel daarna worden ze afgebroken,” zei Joe.

Deze transcriptiefactoren ondersteunen een reeks belangrijke biologische processen in het lichaam, maar zelfs na decennia van onderzoek “is het mechanisme van hun omzet grotendeels onbekend”, zegt Michael Greenberg, de Nathan March Posey hoogleraar neurobiologie aan het HMS Blavatnik Institute en Harvard. Universiteit. . Co-auteur van dit artikel met Stephen Eledge, Gregor Mendel hoogleraar genetica en geneeskunde aan HMS en Brigham and Women’s Hospital.

Van een handjevol tot honderden

Om dit mechanisme te onderzoeken, begon het team met twee bekende transcriptiefactoren: Fos, dat uitgebreid is bestudeerd in het laboratorium van Greenberg vanwege zijn rol bij leren en geheugen, en EGR1, dat betrokken is bij celdeling en overleving. Met behulp van geavanceerde proteomics en genetische analyses ontwikkeld in het laboratorium van Elledge, concentreerden de onderzoekers zich op meduline als een eiwit dat transcriptiefactoren helpt afbreken. Uit vervolgexperimenten bleek dat naast Fos en EGR1 ook meduline mogelijk betrokken is bij de afbraak van honderden andere transcriptiefactoren in de kern.

Gu en Nardone herinneren zich dat ze geschokt en sceptisch waren over hun bevindingen. Om hun bevindingen te bevestigen, besloten ze dat ze precies moesten weten hoe meduline veel verschillende eiwitten target en afbreekt.

“Toen we al deze eiwitten hadden geïdentificeerd, waren er veel prikkelende vragen over hoe het medullinolenische mechanisme eigenlijk werkt,” zei Nardoni.

Met de hulp van een machinaal leren Met behulp van een tool genaamd AlphaFold die eiwitstructuren voorspelt, evenals de resultaten van een reeks laboratoriumexperimenten, kon het team de details van het mechanisme ophelderen. Ze toonden aan dat meduline een ‘capture domain’ heeft: een gebied van het eiwit dat andere eiwitten oppakt en deze rechtstreeks naar het proteasoom voert, waar ze worden afgebroken. Dit catch-domein bestaat uit twee afzonderlijke, gekoppelde regio’s Aminozuren (denk aan handschoenen aan een touwtje) die een relatief ongestructureerd deel van het eiwit vangen, waardoor medulline veel verschillende soorten eiwitten kan vangen.

Van belang zijn eiwitten zoals Fos die verantwoordelijk zijn voor het inschakelen van genen die neuronen in de hersenen ertoe aanzetten verbinding te maken en zichzelf opnieuw te bedraden als reactie op stimuli. Andere eiwitten zoals IRF4 activeren genen die het immuunsysteem ondersteunen door ervoor te zorgen dat cellen functionele B- en T-cellen kunnen vormen.

“Het meest opwindende aspect van deze studie is dat we nu een nieuw algemeen mechanisme begrijpen, onafhankelijk van de ubiquitylation, dat eiwitten afbreekt”, aldus Elledge.

Verleidelijk vertaalpotentieel

Op de korte termijn willen de onderzoekers dieper graven in het mechanisme dat ze ontdekten. Ze zijn van plan structurele studies uit te voeren om de fijne details van de manier waarop eiwitten worden gevangen en afgebroken beter te begrijpen. Ze maken ook muizen zonder linuline, om de rol van het eiwit in verschillende cellen en ontwikkelingsstadia te begrijpen.

De wetenschappers zeggen dat hun bevindingen een verleidelijk vertaalpotentieel hebben. Het kan een route bieden die onderzoekers kunnen gebruiken om de niveaus van transcriptiefactoren te controleren, waardoor de genexpressie en, op zijn beurt, gerelateerde processen in het lichaam worden gemoduleerd.

“Eiwitafbraak is een cruciaal proces, en de deregulering ervan ligt ten grondslag aan veel aandoeningen en ziekten”, zei Greenberg, waaronder enkele neuropsychiatrische aandoeningen, evenals sommige soorten kanker.

Wanneer cellen bijvoorbeeld te veel of te weinig transcriptiefactoren zoals Fos bevatten, kunnen er leer- en geheugenproblemen ontstaan. Bij multipel myeloom raken kankercellen verslaafd aan het immuuneiwit IRF4, waardoor de aanwezigheid ervan ziekten kan aanwakkeren. Onderzoekers zijn vooral geïnteresseerd in het identificeren van ziekten die goede kandidaten kunnen zijn voor het ontwikkelen van therapieën die werken via de manduline-proteasoomroute.

“Eén gebied dat we actief onderzoeken is hoe we de specificiteit van het mechanisme kunnen aanpassen, zodat het specifiek interessante eiwitten kan analyseren”, zegt Gu.

Referentie: “De Medulin Proteasome Pathway vangt eiwitten op voor ubiquitine-onafhankelijke degradatie” door Shen Guo, Christopher Nardoni, Nolan Kamitaki, Uyo Mao, Stephen J. Eledge en Michael E. Greenberg, 25 augustus 2023, hier beschikbaar. Wetenschappen.
doi: 10.1126/science.adh5021

De financiering werd verstrekt door een National Mah Jongg League Fellowship van de Damon Runyon Foundation for Cancer Research, een National Science Foundation Graduate Research Fellowship, en Nationale gezondheidsinstituten (T32 HG002295; R01 NS115965; AG11085).