Beter begrip van celregulatie kan leiden tot nieuwe therapieën

Wetenschappers vermoeden dat de reden waarom hersenneuronen verstopt raken met verwarde eiwitten bij de ziekte van Alzheimer is gedeeltelijk te wijten aan storingen in een weinig bekend regulerend systeem in cellen.
In een nieuwe studie die deze week online is gepubliceerd Proceedings van de National Academy of Sciences Early Edition, onderzoekers hebben een gigantische stap voorwaarts gemaakt om meer inzicht te krijgen in dit specifieke regulatiesysteem bij muizen. De nieuw verworven kennis zal wetenschappers een beter begrip bieden van de ziekte van Alzheimer en andere menselijke ziekten en uiteindelijk kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe therapieën.
In hun nieuwe onderzoek ontdekten de onderzoekers twee keer zoveel nieuwe eiwitten; deze bleken onderdeel te zijn van een eiwitregulatie die is gebaseerd op een suiker die bekend staat als O-GlcNAc (oh-GLIK-nak).
Er wordt gedacht dat het O-GlcNAc-systeem een ??extra laag van controle toevoegt aan de eiwitten die fungeren als controles van de hersenen, wat verward kan zijn in de hersenen van Alzheimerpatiënten met bekende problemen bij het metaboliseren van suiker.
De vooraanstaande onderzoeker Feng Yang, een analytische biochemicus van het Northwest National Laboratory van het Department of Energy, zei:

"We hebben veel nieuwe eiwitten gevonden die inzicht bieden in nieuwe aspecten van celbiologie." We denken dat O-GlcNAc de cellulaire processen perfectioneert. "

Naast het ontdekken van honderden eiwitten die werden gemodificeerd door O-GlcNAc, stelde het team ook vast dat de meerderheid van alle O-GlcNAc-eiwitten die tot de meest voorkomende vorm van eiwitregulatie behoorden, kleine fosfaatmoleculen gebruikt om eiwitten aan en uit te zetten , wat aangeeft dat de twee regelgevingen met elkaar coördineren.
Richard D. Smith, die het proteomics-team bij PNNL leidt, verklaarde:

"Deze resultaten laten zien dat er een niveau van complexiteit is over hoe de biologie werkt waar we grotendeels blind voor zijn geweest."

Proteomics-onderzoekers bestuderen proteoom (PRO-tee-ohm), d.w.z. celfuncties op basis van de aantallen en soorten eiwitten op het werk.

Smith vervolgde:

"Tijdens het Human Genome Project vroegen we ons af, hoe konden zo weinig genen de complexiteit van een organisme of zelfs een enkele cel produceren en hoe konden kleine variaties in ons DNA de diversiteit verklaren die we overal om ons heen zien? Het is duidelijk dat het proteoom de antwoord."

Cellen worden gecontroleerd door eiwitten, die fungeren als gereedschappen, tandwielen en gadgets. Het binden of losmaken van kleine moleculen aan de eiwitten maakt het mogelijk dat regulerende systemen in cellen eiwitten aan en uit zetten als een schakelaar, waarvan de meest voorkomende binding is aan of het losmaken van fosfaten. Jarenlang weten biologen dat deze schakelaars slecht kunnen functioneren bij kanker en andere ziekten, en geneesmiddelen die delen in het fosfaatregulatiesysteem beïnvloeden, proberen deze fouten te herstellen.
Ongeveer 20 jaar geleden ontdekten onderzoekers dat O-GlcNAc ook als een schakelaar kon werken door eiwitten in of uit te schakelen. Ze ontdekten eiwitten met aangehechte O-GlcNAc en andere eiwitten die de suiker binden of losmaken, die allemaal vitale onderdelen van het systeem zijn. Ze slaagden er echter niet in voldoende O-GlcNAc-eiwitten te vinden om volledig inzicht in het proces te krijgen.
Ze ontdekten dat er maar heel weinig eiwitten met O-GlcNAc waren verbonden en degenen die dat wel deden, verloren vaak de suiker terwijl ze in het lab werden behandeld. De onderzoekers pakten een deel van het probleem aan door te beginnen met meer weefselcellen of gekweekte cellen. Om deze wijzigingen in praktijkscenario's, zoals klinische monsters, te bestuderen, moesten ze de suiker echter vinden met een kleine hoeveelheid uitgangsmateriaal.
Om deze problemen aan te pakken, werkten Smith, Yang, hun team bij PNNL en vier onderzoeksinstellingen samen door hun expertise in het O-GlcNAc-systeem te combineren met instrumenten die werden ontwikkeld in het Environmental Molecular Sciences Laboratory van DOE op de campus PNNL. De eerste stap was om de benadering van het zuiveren van het eiwit uit muizenhersenenweefsel te verbeteren, om de aan eiwitten gehechte suiker te versterken, waarna ze nieuwe instrumenten gebruikten om zeldzame eiwitten in kleine monsters te identificeren.
Ze zochten ook naar de suiker-gestippelde eiwitten in muizenhersenen monsters van gemanipuleerde dieren met een muisversie van de ziekte van Alzheimer. Deze muizen produceren drie belangrijke eiwitten die voorkomen bij mensen met Alzheimer, waaronder de Tau-eiwitten, die de klassieke klitten produceren in hersenneuronen.
Het team besloot om te testen hoe goed hun methoden O-GlcNAc-eiwitten vonden en begon weefsel te gebruiken van zowel gezonde als zieke muishersenen. Het gezonde weefsel bevatte 274 verschillende eiwitten gemarkeerd met O-GlcNAc. Veel van deze eiwitten hadden echter meer dan één suikermolecule, omdat het team in totaal 458 bindingsplaatsen op die 274 eiwitten ontdekte. Dit was driemaal het aantal locaties dan welk eerdere onderzoek ook had ontdekt, waardoor het team overeenkomsten kon vinden tussen de 106 O-GlcNAc-sites die al in andere onderzoeken waren geïdentificeerd, maar ook op de resterende 168 O-GlcNAc-eiwitplaatsen die hadden tot nu toe niet geïdentificeerd.
Het team merkte op dat deze eiwitten verschillende functies hadden, waaronder het vormen van een deel van de celstructuur, zenuwgroei of andere zenuwgerelateerde functies, zoals leren en geheugen. Het team classificeerde de 168 nieuw geïdentificeerde eiwitten op basis van hoe ze eruit zagen en door welke functie ze dachten dat ze waarschijnlijk betrokken zouden zijn, zoals celsignalering, regulering van genexpressie of structurerende cellen, voordat ze de eiwitten die ze vonden in de met Alzheimer aangetaste muis onderzoeken hersenen. Ze ontdekten dat de zieke muis-hersenen ongeveer een derde minder O-GlcNAc-gemarkeerde eiwitten bevatten, wat eerdere onderzoeken ondersteunt die duidden op beschadigde O-GlcNAc-regulatie in de hersenen van mensen met de ziekte van Alzheimer.
Interessant is dat de onderzoekers ontdekten dat meer dan 98% van de O-GlcNAc-eiwitten ook sites bevatte die een fosfaat zouden accepteren, wat aangeeft dat deze eiwitten ook worden bestuurd door het meest voorkomende regulerende systeem in cellen, het fosfaatsysteem.
De onderzoekers ontdekten dat ongeveer een kwart van de O-GlcNAc-plaatsen zich voldoende in de nabijheid van de fosfaatlocaties bevond om de schakelaar te verstoren, wat een kruisbestuiving tussen de twee soorten regulering aangeeft. Terwijl het fosfaat kleiner is dan O-GlcNAc en een sterke negatieve elektrische lading heeft, is de suiker neutraal maar toch omvangrijker. Deze kenmerken kunnen verschillende effecten hebben op de structuur van het eiwit, en bovendien kan het bereik van mogelijke biologische uitkomsten ook aanzienlijk hoger zijn vanwege de complexiteit van beide schakelsystemen.
Hoewel de meerderheid van de eiwitten waarvan bekend is dat ze onder controle van O-GlcNAc leven meestal in de cellen leeft, ontdekte het team ook dat zes eiwitten door O-GlcNAc buiten een cel moesten worden gecontroleerd, afhankelijk van waar hun O-GlcNAc-site was gelegen op het eiwit.
Het team is momenteel van plan beide regelgevingssystemen te onderzoeken en Smith concludeert:

"Het is onthullend om te zien hoeveel eiwitten zijn gemodificeerd.Als we biologische systemen gaan begrijpen, moeten we het samenspel van de verschillende soorten wijzigingen begrijpen."

Geschreven door Petra Rattue