Wissenschaftler der Johns Hopkins University haben erstmals die „Stabilitäts-Blaupause“ eines in der Zellmembran befindlichen Enzyms dekodiert und kartiert, welche Teile des Enzyms wichtig für seine Form und seine Funktion sind. Diese Studien wurden vorab am 14. Juni 2012 in Structure und am 15. Juli 2012 in Nature Chemical Biology veröffentlicht und könnten letztendlich zur Entwicklung von Medikamenten für die Behandlung von Malaria und anderen parasitären Erkrankungen führen.
„Es ist das erste Mal, dass wir wirklich die architektonische Logik hinter der Struktur der Enzyme verstehen“, sagt Dr. Sinisa Urban, ein außerordentlicher Professor für Molekularbiologie und Genetik an der School of Medicine und Forscher am Howard Hughes Medical Institute, der mit seinem Team die Geheimnisse einer speziellen Enzymklasse, den rhomboiden Proteasen, entschlüsselt hat.
Rhomboide Proteasen kommen in vielen verschiedenen Organismen vor und sind eine einzigartige Enzymklasse, die sich in den Zellmembranen befindet, wo sie Proteine aufspaltet. Zuvor demonstrierten Urban und seine Kollegen, dass das rhomboide Enzym entscheidend für Plasmodium falciparum (der Parasit, der Malaria verursacht) ist, um erfolgreich in die roten Blutkörperchen einzudringen – ein Schritt, der letztendlich zur Infektion führt. (Anm. d. Red.: Es gibt mehrere Malariaformen und Plasmodium falciparum verursacht die schwerste Form, Malaria tropica) Urban sagt, die Formstabilität der rhomboiden Protease zu verstehen, könne das Design von Enzym-Hemmstoffen (Inhibitoren) – potenziellen Medikamenten – beeinflussen. „Diese Enzyme haben keine selektiven Hemmstoffe“, sagt Urban. „Wir müssen wirklich verstehen, wie das Enzym arbeitet – ist es steif wie ein Stein oder ist es mehr wie Gummi, ähnlich wie Jell-O?“ (Anm. d. Red.: Im US-amerikanischen Sprachgebrauch ist Jell-O eine Bezeichnung für gelantinehaltige Nachspeisen wie Götterspeisen, usw.)
Eine Herausforderung bei der Untersuchung rhomboider Enzyme ist, dass sie von Membranen umgeben sind, was es schwieriger macht, sie zu manipulieren und mit ihnen zu arbeiten. Um dieses Problem anzugehen, wandte sich Urbans Forschungsteam einer Technik zu, die als „Thermal Light Scattering (etwa: thermale Lichtstreuung) bekannt ist und Enzymproben auf zunehmend höhere Temperaturen erhitzt, während die Menge des von den Molekülen zurückgeworfenen Lichts gemessen wird. Enzyme, die aus ihrer normalen Form gebrochen sind, werden Licht anders streuen und die Temperatur, bei der dies auftritt (also der Denaturierungspunkt des Enzyms) zeigt die inhärente Stabilität des Enzyms.
Die Forscher maßen zuerst präzise die Stabilität der rhomboiden Enzyme von E. coli-Bakterien. Urban zufolge sei das rhomboide Enzym überraschenderweise „gelantine-ähnlicher“ gewesen als andere Membranproteine mit vergleichbaren Formen. Er vermutet, dass diese „Wackelform“ rhomboiden Proteasen dabei helfen könnte, mit den anderen Proteinen zu interagieren, die sie aufspalten. Um herauszufinden, welche Teile des Enzyms am wichtigsten für die Aufrechterhaltung der Form sind und welche Teile entscheidend für seine Funktion sind, erzeugten und testeten die Wissenschaftler anschließend 150 unterschiedlich veränderte Versionen des Enzyms. Sie fanden vier Hauptregionen, die für die Aufrechterhaltung der Form wichtig sind und mindestens zwei Regionen, die für seine Funktion wichtig sind.
Die Wissenschaftler nutzten auch die Vorteile von Computersimulationen, um ihre Theorien über die Funktionsweise des Enzyms zu testen. Sie programmierten Merkmale seiner natürlichen Membranumgebung, die hauptsächlich aus Fetten und sehr begrenzt aus Wasser besteht, in ein Computermodell des Enzyms. Das Computerprogramm simulierte dann, wie diese Umgebung das Enzym beeinflussen könnte. Sie fanden heraus, dass das Enzym eine spezielle innere Tasche für die Aufbewahrung von Wassermolekülen enthält – ein großer Vorteil in seiner natürlichen wasserarmen Umgebung.
„Wir sind sehr aufgeregt über unsere Ergebnisse und besonders wissbegierig auf die Enzymversionen, die ihre Funktion verloren, obwohl keine offensichtliche Veränderung in Stabilität oder Form auftrat“, sagt Urban. Er hofft, dass ein besseres Verständnis von rhomboiden Proteasen letztendlich zu neuen Therapien zur Behandlung von Malaria und anderen parasitären Erkrankungen führen werde.
Diese Studien wurden vom Howard Hughes Medical Insitute, einem Zuschuss des National Institute of General Medical Sciences (GM079223), einem Zuschuss des National Institute of Allergy and Infectious Diseases (AI066025), der National Science Foundation (NSF) und der David and Lucile Packard Foundation unterstützt.
Andere Forscher, die an dieser Studie beteiligt waren, sind Rosanna Baker, Yanzi Zhou, Syed Moin und Yingkai Zhang.
(THK)
Antworten