Lichtblick für die Rezeptorforschung

Neuropsychiatrische Erkrankungen, Allergien und Krebs weisen eine erstaunliche Gemeinsamkeit auf: An ihrer Entstehung und Ausbreitung sind Mutationen einer bestimmten Klasse von molekularen Messfühlern entscheidend beteiligt.

Forschende der Universitäten Leipzig und Würzburg haben nun einen Mechanismus entdeckt, der dazu beitragen kann, die krankmachenden Effekte der molekular veränderten Adhäsions-GPCRs in Schach zu halten. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Molecular Cell veröffentlicht.

Die Professoren Tobias Langenhan und Peter W. Hildebrand von der Medizinischen Fakultät der Universität Leipzig und Professor Markus Sauer vom Biozentrum der Julius-Maximilians-Universität Würzburg haben die Adhäsions-GPCRs erforscht. Diese bilden eine große, aber bisher nicht gut verstandene Klasse von Oberflächenproteinen, die als Zellsensoren für chemische und mechanische Reize dienen.

Verborgenen Anschalter sichtbar gemacht

Adhäsions-GPCRs verfügen über einen verborgenen gebundenen Anschalter („tethered agonist“), der die Signaltransduktion des Rezeptors in Gang setzt. In der gemeinsamen Studie haben die drei Wissenschaftler herausgefunden, wie dieser Anschalter für den Rezeptor sichtbar wird.

Die Adhäsions-GPCRs verbergen den Schalter im Inneren der GAIN-Domäne, einem ballförmigen Teilstück des Rezeptors, das in die Struktur des Sensor-Eiweißes eingearbeitet ist. „Wir haben gezeigt, dass die entscheidende GAIN-Domäne, die in allen Adhäsions-GPCRs vorkommt, enorm dynamisch und flexibel ist. Diese Flexibilität könnte entscheidenden Einfluss auf die Signalgebung durch diese Rezeptoren haben. Daher erscheint es plausibel, dass man sie künftig durch Medikamente verändert, um Erkrankungen, an denen fehlerhafte Adhäsions-GPCR-Signale beteiligt sind, zu lindern“, sagt Professor Langenhan vom Rudolf-Schönheimer-Institut für Biochemie.

Medizinisch wichtige Moleküle

Adhäsions-GPCRs sind medizinisch und pharmakologisch wichtige Moleküle, weil ihre Fehlregulationen bei der Krebsentstehung eine signifikante Rolle spielen. Sie haben außerdem eine zentrale Funktion für die Entwicklung des Gehirns und bei Immunprozessen.

Adhäsions-GPCRs gehören zur großen Familie der G-Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCRs). Im Menschen gibt es etwa 700 verschiedene Varianten, die unter anderem für Sinneseindrücke (z.B. Sehen, Geruch und Geschmack), Hormonzyklen und die Steuerung des Herz-Kreislauf-Systems verantwortlich sind.

GPCRs übersetzen Reize, die von außerhalb auf eine Zelle treffen, in ein intrazelluläres biochemisches Signal. Geschätzt fast die Hälfte aller verschreibungspflichtigen Medikamente, etwa zur Behandlung von Bluthochdruck, Morbus Parkinson oder Allergien, wirken über GPCRs und ihre Signale, sagen die Forschenden.

Mit mehreren Verfahren zum Erfolg

Die Wissenschaftler haben mehrere Verfahren innovativ kombiniert, um die Demaskierung des Adhäsions-GPCR-Anschalters nachzuweisen.

Unter der Leitung von Professor Hildebrand wurden am Institut für Medizinische Physik und Biophysik Molekular-Dynamik-Simulationen genutzt, um mit Computer-Algorithmen zu berechnen, wie sich die GAIN-Domäne der Adhäsions-GPCRs in Raum und Zeit verhält. „Wir haben es geschafft, den starren Strukturen der Proteine Leben einzuhauchen, indem wir sie dynamisch dargestellt haben. Dadurch konnten wir zeigen, dass Funktionen des Proteins zum Vorschein kommen, die vorher nicht sichtbar waren“, erklärt Hildebrand, der sich die mikroskopisch kleinsten Bewegungen in atomarer Größe, einem Zehnmilliardstel Meter, auf dem Computer angeschaut hat.

Um die computergestützten Berechnungen zu bestätigen, nutzten die Professoren Sauer und Langenhan experimentelle Verfahren. Unter anderem erweiterten sie künstlich den genetischen Code verschiedener getesteter Adhäsions-GPCR-Gene und bauten an einigen Positionen des Anschalters unnatürliche Aminosäuren ein. Da die unnatürlichen Aminosäuren nur dann mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert werden können, wenn der Anschalter aus der GAIN-Domäne freigelegt wird, erlaubte es diese Methode, seine Zugänglichkeit experimentell in vollständigen Adhäsions-GPCRs in Zellen zu überprüfen.

Neuer Ansatzpunkt zur Veränderung der Rezeptorsignale

„Diese Verfahren haben sich sehr gut ergänzt, um den Beweis anzutreten, dass die Adhäsions-GPCRs ihren Anschalter aufdecken können“, sagt Sauer. Der JMU-Mikroskopiefachmann hat den Rezeptor mittels dSTORM, einer hochauflösenden Fluoreszenzmikroskopiemethode, dargestellt.

„Im Gegensatz zu anderen GPCR-Vertretern gibt es bislang nur wenig Ideen, wie man die Signale von Adhäsions-GPCRs verändern könnte. Unsere Arbeit hat nun einen neuen Ansatzpunkt dafür identifiziert: die molekularen Bewegungen der GAIN-Domäne“, so Langenhan. Die drei Forscher werden dieser Spur in neuen Projekten nachgehen.

Publikation

Beliu, Altrichter, Guixà-González et al.: "Tethered agonist exposure in intact adhesion/class B2 GPCRs through intrinsic structural flexibility of the GAIN domain", Molecular Cell, DOI: https://doi.org/10.1016/j.molcel.2020.12.042