Ein besseres Verständnis der Zellregulation kann zu neuen Therapien führen

Wissenschaftler vermuten, dass der Grund warum Gehirnneuronen verstopft werden mit verschlungene Proteine bei Alzheimer ist teilweise bedingt Fehlfunktionen in einem wenig bekannten Regulationssystem in Zellen.
In einer neuen Studie veröffentlicht online in dieser Woche Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften der frühen AusgabeForscher haben einen gewaltigen Sprung nach vorne gemacht, um mehr Einblick in dieses spezielle Regulationssystem bei Mäusen zu gewinnen. Das neu gewonnene Wissen wird den Wissenschaftlern ein besseres Verständnis von Alzheimer und anderen menschlichen Krankheiten vermitteln und könnte schließlich zur Entwicklung neuer Therapien führen.
In ihrer neuen Studie entdeckten die Forscher doppelt so viele neue Proteine; Es stellte sich heraus, dass sie Teil einer Proteinregulation sind, die auf einem Zucker basiert, der als O-GlcNAc (oh-GLIK-nak) bekannt ist.
Es wird angenommen, dass das O-GlcNAc-System den Proteinen, die als Gehirnkontrollen dienen, eine weitere Kontrollschicht hinzufügt, die im Gehirn von Alzheimer-Patienten mit bekannten Problemen bei der Zuckermetabolisierung verwechselt werden kann.
Der leitende Forscher Feng Yang, analytischer Biochemiker des Pacific Northwest National Laboratory des US-Energieministeriums, sagte:

"Wir haben viele neue Proteine ??gefunden, die Einblicke in neue Aspekte der Zellbiologie geben. Wir denken, dass O-GlcNAc zelluläre Prozesse verfeinert."

Neben der Entdeckung von Hunderten von Proteinen, die durch O-GlcNAc modifiziert wurden, stellte das Team auch fest, dass die Mehrzahl aller O-GlcNAc-Proteine ??zur häufigsten Form der Proteinregulation gehört und kleine Phosphatmoleküle verwendet, um Proteine ??an- und auszuschalten , die anzeigt, dass die beiden Regulationssysteme miteinander koordiniert sind.
Richard D. Smith, Leiter des Proteomics-Teams bei PNNL, erklärte:

"Diese Ergebnisse zeigen, dass die Komplexität der Biologie, für die wir weitgehend blind sind, komplex ist."

Proteomics-Forscher untersuchen Proteom (PRO-tee-ohm), d. H. Zellfunktionen, die auf der Anzahl und den Arten ihrer Proteine ??bei der Arbeit beruhen.

Smith fuhr fort:

"Während des Humangenomprojekts haben wir gefragt, wie so wenige Gene die Komplexität eines Organismus oder sogar einer einzelnen Zelle erzeugen könnten und wie kleine Abweichungen in unserer DNA die Vielfalt erklären könnten, die wir überall sehen. Das Proteom ist eindeutig Antworten."

Zellen werden von Proteinen kontrolliert, die als Werkzeuge, Zahnräder und Gadgets fungieren. Das Binden oder Ablösen kleiner Moleküle an die Proteine ??ermöglicht regulatorischen Systemen innerhalb von Zellen, Proteine ??wie ein Schalter ein- und auszuschalten, wobei der häufigste die Bindung an oder das Ablösen von Phosphaten ist. Seit Jahren wissen Biologen, dass diese Schalter bei Krebs und anderen Krankheiten eine Fehlfunktion haben können, und Medikamente, die Teile im Phosphat-Regulationssystem beeinflussen, versuchen diese Fehler zu reparieren.
Vor ungefähr 20 Jahren entdeckten Forscher, dass O-GlcNAc auch wie ein Schalter funktionieren kann, indem es Proteine ??ein- oder ausschaltet. Sie entdeckten Proteine ??mit gebundenem O-GlcNAc und andere Proteine, die den Zucker binden oder ablösen, die alle lebenswichtige Teile des Systems sind. Sie fanden jedoch nicht genügend O-GlcNAc-Proteine, um einen vollständigen Einblick in den Prozess zu erhalten.
Sie fanden heraus, dass nur wenige Proteine ??mit O-GlcNAc verbunden waren und diejenigen, die den Zucker verloren haben, während sie im Labor behandelt wurden. Die Forscher gingen einen Teil des Problems an, indem sie mit mehr Gewebe oder kultivierten Zellen begannen. Um diese Veränderungen jedoch in realen Szenarien wie klinischen Proben zu untersuchen, mussten sie den Zucker mit einer kleinen Menge an Ausgangsmaterial finden.
Um diese Probleme anzugehen, haben Smith, Yang, ihr Team am PNNL sowie vier Forschungseinrichtungen zusammengearbeitet, indem sie ihre Expertise im O-GlcNAc-System mit Instrumenten kombiniert haben, die im DOE-Labor für Molekularbiologie am PNNL-Campus entwickelt wurden. Der erste Schritt bestand darin, den Ansatz der Reinigung des Proteins aus dem Gehirngewebe der Maus zu verbessern, um den an Proteine ??gebundenen Zucker zu verstärken, woraufhin neue Instrumente verwendet wurden, um seltene Proteine ??in kleinen Proben zu identifizieren.
Sie suchten auch nach den zuckergepunkteten Proteinen in Mausgehirnproben von veränderten Tieren, die eine Mausversion von Alzheimer hatten. Diese Mäuse überproduzieren drei Hauptproteine, die bei Menschen mit Alzheimer vorkommen, einschließlich der Tau-Proteine, die die klassischen Verwicklungen in Gehirnneuronen produzieren.
Das Team entschied sich zu testen, wie gut ihre Methoden O-GlcNAc-Proteine ??gefunden haben und begann Gewebe aus gesunden oder erkrankten Mäusegehirnen zu verwenden. Das gesunde Gewebe enthielt 274 verschiedene Proteine, die mit O-GlcNAc markiert waren. Viele dieser Proteine ??hatten jedoch mehr als ein Zuckermolekül, da das Team insgesamt 458 Bindungsstellen an diesen 274 Proteinen entdeckte. Dies war dreimal so viele Stellen wie jede frühere Studie herausgefunden hatte, was es dem Team ermöglichte, Ähnlichkeiten zwischen den 106 O-GlcNAc-Stellen zu finden, die bereits in anderen Studien identifiziert wurden, aber auch mit den verbleibenden 168 O-GlcNAc-Proteinstellen bisher nicht identifiziert.
Das Team beobachtete, dass diese Proteine ??verschiedene Funktionen hatten, darunter die Bildung eines Teils der Zellstruktur, Nervenwachstum oder andere nervenbezogene Funktionen wie Lernen und Gedächtnis. Das Team klassifizierte die 168 neu identifizierten Proteine ??basierend auf dem, wie sie aussahen und nach welcher Funktion sie vermutlich beteiligt sein würden, dh Zellsignalisierung, Regulierung der Genexpression oder Strukturierung von Zellen, bevor sie die Proteine ??untersuchten, die sie bei der Alzheimer-erkrankten Maus fanden Gehirne. Sie entdeckten, dass die erkrankten Mäusegehirne etwa ein Drittel weniger O-GlcNAc-markierte Proteine ??enthielten, was frühere Studien unterstützt, die eine beschädigte O-GlcNAc-Regulation in Gehirnen von Alzheimer-Patienten anzeigen.
Interessanterweise entdeckten die Forscher, dass über 98% der O-GlcNAc-Proteine ??auch Stellen aufwiesen, die ein Phosphat aufnehmen würden, was darauf hindeutet, dass diese Proteine ??auch durch das häufigste Regulationssystem in Zellen, dem Phosphatsystem, kontrolliert werden.
Die Forscher fanden heraus, dass ungefähr ein Viertel der O-GlcNAc-Stellen in ausreichender Nähe zu den Phosphatstellen lagen, um die Umschaltung zu stören, was auf eine gegenseitige Kommunikation zwischen den beiden Arten der Regulierung hindeutet. Während das Phosphat kleiner als O-GlcNAc ist und eine starke negative elektrische Ladung aufweist, ist der Zucker neutral und dennoch voluminöser. Diese Eigenschaften könnten unterschiedliche Auswirkungen auf die Struktur des Proteins haben, und darüber hinaus könnte die Bandbreite möglicher biologischer Ergebnisse aufgrund der Komplexität beider Vermittlungssysteme ebenfalls signifikant höher sein.
Während die Mehrheit der Proteine, von denen bekannt ist, dass sie unter O-GlcNAc-Kontrolle sind, hauptsächlich in den Zellen lebt, entdeckte das Team auch, dass sechs Proteine ??von O-GlcNAc außerhalb einer Zelle kontrolliert werden mussten, abhängig davon, wo ihre O-GlcNAc-Stelle war auf dem Protein gelegen.
Das Team plant derzeit, beide Regulierungssysteme zu untersuchen, und Smith kommt zu folgendem Schluss:

"Es ist aufschlussreich zu sehen, wie viele Proteine ??modifiziert werden. Wenn wir biologische Systeme verstehen wollen, müssen wir das Zusammenspiel der verschiedenen Arten von Modifikationen verstehen."

Geschrieben von Petra Rattue