Wissenschaftler des St. Jude Children’s Research Hospital entschlüsselten die 3D-Struktur eines wichtigen Proteinkomplexes in Zilien, der auf Zellen gefundene Anhängsel signalisiert. Die Struktur wurde mit der bisher höchsten Auflösung erfasst. Die Arbeit dient als Grundlage für die Untersuchung von Erkrankungen des Gehirns, der Niere, des Skeletts und der Augen, die bekanntermaßen Zilien betreffen, aber schwer zu untersuchen waren. Die Ergebnisse wurden heute in veröffentlicht Zellforschung.
Zilien sind haarähnliche Fortsätze, die auf fast allen Säugetierzellen zu finden sind und viele Signalprozesse steuern. Das Cilium ist eine Art dünne Röhre, der die Maschinerie fehlt, um die Proteine zu synthetisieren, die für die Zellsignalisierung benötigt werden. Daher müssen die Signalmoleküle innerhalb der Zilien aus anderen Bereichen der Zelle herübergebracht werden. Intraflagellare Transportkomplexe, IFT-A und IFT-B genannt, dienen als Züge, die Proteine zu und von Zilien bringen.
Über ein Jahrzehnt lang haben Wissenschaftler versucht, die Struktur der IFT-A- und -B-Komplexe zu verstehen. Die Wissenschaftler von St. Jude bestimmten die Struktur von IFT-A mit einer Gesamtauflösung von etwa 3-4 Angström, was es uns ermöglicht, diese Komplexe in nahezu atomarem Detail zu visualisieren.
„Jetzt, da wir die hochauflösende Struktur dieses Ziliarkomplexes haben, können wir Mutationen kartieren, von denen bekannt ist, dass sie Krankheiten verursachen, und dann klinische Interventionen entwerfen“, sagte der Co-Korrespondenzautor Ji Sun, Ph.D., St. Jude Department of Structural Biology . „Wir können auf atomarer Ebene sagen, wie sich diese Züge zu sehr eleganten Strukturen in den Zilien zusammenfügen. Wir können dieses Wissen auch nutzen, um zu verstehen, wie Krankheitsmutationen diese Struktur stören.“
Ihre Arbeit enthüllt neue Details, die bei früheren Versuchen nie klar genug waren, um sie zu verstehen. Beispielsweise deckten sie bisher unbekannte Zinkbindungsstellen in IFT-A auf. Zinkbindungsstellen sind wichtig für eine Art Proteindomäne namens Zinkfinger. Zinkfinger sind entscheidend für bestimmte Protein-Protein-Wechselwirkungen, was einige schlecht verstandene Verbindungen innerhalb des Zugkomplexes erklärt.
„Es war ziemlich aufregend, die Zinkfinger zu sehen, weil niemand Zinkbindungsstellen in IFT-A gesehen oder auch nur vorhergesagt hatte“, sagte Sun. „Unsere Studie konnte das mit Zuversicht zeigen. Wir könnten sagen: ‚Hey, da ist Zink, und es ist wichtig für die Protein-Protein-Interaktion, die auch die Zugmontage erleichtern könnte.‘ Ohne unsere hochauflösenden Strukturinformationen hätten wir das nie herausgefunden.“
Ein molekulares Ticket zum Fahren
Obwohl wichtig, ist der Zug nur ein Teil der Geschichte. Die Wissenschaftler konnten die Struktur von IFT-A im Komplex mit dem Protein Tubby-related Protein 3 (TULP3) aufklären.
„Um einen Zug zu fahren, braucht man ein Ticket. TULP3 ist ein Ticket, um in den Zug von IFT-A einzusteigen“, sagte Sun. „TULP3 kann dann verschiedene akzeptable Frachten erkennen, die im Zug transportiert werden sollen. Wenn Sie also molekulare Fracht haben, die an diesem Ticket festhalten kann, kann sie mit dem Zug fahren. Wenn Sie diese TULP3-Interaktion unterbrechen, können Sie bestimmte Frachten nicht mehr transportieren , weil ihnen ein gültiges Molekularticket fehlt.“
Das Auffinden der 3D-Struktur von TULP3 und IFT-A im Komplex ist eine große Errungenschaft, die einen Einblick geben wird, wie sich Signalmoleküle zu und von Zilien bewegen und wie eine Störung der Schnittstelle zwischen den beiden Krankheiten verursachen kann.
Zilienerkrankungen in hoher Auflösung verstehen
Zilien sind wichtige Organellen vieler Arten. Diese hohe Konservierung über Arten hinweg sagt Wissenschaftlern, dass Zilien wichtig sind. Viele Mutationen in Ziliarproteinen sind mit Erkrankungen verschiedener Gewebe assoziiert. Ohne eine Struktur ist es jedoch schwierig zu erklären, wie Veränderungen in den Proteinen Krankheiten verursachen. Daher haben Wissenschaftler in den letzten zehn Jahren viele Versuche unternommen, die Struktur von Ziliarkomponenten aufzuklären. Der St. Jude-Gruppe ist es gelungen, eine Struktur von IFT-A mit hoher Auflösung unter Verwendung einer Methode herzustellen, die als Einzelpartikel-Elektronen-Kryo-Mikroskopie (Kryo-EM) bekannt ist.
„Das Feld hat lange darauf gewartet, diese Komplexe zu sehen“, sagte Sun. „IFT-A ist ein Komplex aus sechs Proteinen. Wir wissen, dass IFT-A-Mutationen die Skelettentwicklung beeinflussen, insbesondere die Rippen, aber auch Strukturen wie die Netzhaut. Es gibt viele Entwicklungskrankheiten, die durch Mutationen in diesem Komplex verursacht werden.“
Kombiniert können die hochauflösenden Strukturen von IFT-A und TULP3 im Komplex nun als Grundlage für die Untersuchung vieler Entwicklungskrankheiten dienen, an denen Zilien beteiligt sind, und dazu beitragen, die Entwicklung neuer Ansätze zu ihrer Linderung oder Heilung zu leiten.
Autoren und Finanzierung
Der Erstautor der Studie ist Meiqin Jiang von St. Jude. Die anderen Autoren sind Darcie Miller, Hanwen Zhu und Patricia Hixson, alle von St. Jude; und Vivek Reddy Palicharla, Sun-Hee Hwang und Saikat Mukhopadhyay, University of Texas Southwestern Medical Center.
Die Studie wurde vom Kryo-EM-Zentrum St. Jude und durch Zuschüsse der National Institutes of Health (R00HL143037, R35GM144136 und 1S10OD028630) und ALSAC, der Fundraising- und Sensibilisierungsorganisation von St. Jude, unterstützt.