Embryo-kritische proteïne gemodelleerd in 3D voor de eerste keer

PRC2 (Polycomb Repressive Complex 2) is een eiwit dat belangrijk is bij de ontwikkeling van embryo's, en speelt ook een belangrijke rol in de progressie van vele kankers. Nu heeft een internationaal onderzoeksteam voor het eerst een 3D-model gemaakt van de moleculaire architectuur van het eiwit, waarvan ze hopen dat het het begrip van geboorteafwijkingen en kanker gekoppeld aan PRC2 aanzienlijk zal vergroten en de ontwikkeling van nieuwe en verbeterde behandelingen zal helpen.
Hun bevindingen moeten in een nieuw tijdschrift worden gepubliceerd eLife, verwacht wordt deze winter gelanceerd.
Het team wordt geleid door biofysicus Eva Nogales, een elektronenmicroscopische expert bij het Lawrence Berkeley National Laboratory van de US Department of Energy (Berkeley Lab) in Berkeley, Californië, en een van de twee overeenkomstige auteurs op het dagboek.
"Ons model moet ook een waardevol hulpmiddel zijn bij het ontwerpen van nieuwe experimenten gericht op het stellen van gedetailleerde vragen over de mechanismen die PRC2 in staat stellen te functioneren en hoe die mechanismen kunnen worden uitgebuit," zegt Nogales in een recente persverklaring.

De bekende status van PRC2 maakt het een "topdoelwit" voor behandelingen

De sleutelrol die PRC2 speelt bij de ontwikkeling van embryo's is al bekend. Het eiwit is niet alleen belangrijk voor de menselijke ontwikkeling, maar ook voor veel andere organismen.

Bijvoorbeeld, muisstudies hebben aangetoond dat de verwijdering van een van de componenten leidt tot de dood van het embryo of ernstige defecten.
Wetenschappers hebben ook aangetoond dat dan PRC2 helpt de differentiatie van embryonale stamcellen te beheersen in andere celtypen: het eiwit dempt de belangrijkste genetische boodschappen in de celkern om dit te bewerkstelligen, zoals Nogales uitlegt:
"PRC2 controleert stamceldifferentiatie door de expressie van specifieke genen te reguleren door binding en methylatie van histonen, de eiwitten in chromatine die helpen DNA in nucleosomen te bundelen."
Om dergelijke redenen is het eiwit wat Nogales beschrijft als een van de 'topdoelen' voor medicijnontwikkelaars.

Model Onthult de architectuur en subcomponenten van PRC2

Maar hoewel er zoveel bekend is over de biochemie en moleculair gedrag van het eiwit, hebben wetenschappers niet veel informatie over de architectuur, en hoe de verschillende structurele delen op elkaar inwerken om histonbinding en methylatie te orkestreren: sleutelprocessen voor het gebruik van DNA.

Nogales en collega's produceerden hun 3D-model door een puzzel van gegevens uit vele verschillende bronnen nauwkeurig samen te voegen, zoals eiwitbiochemie, 3D-elektronenmicroscopie, massaspectrometrie, chemische crosslinking en docking in de kristalstructuur.
De schaal van het 3D-model wordt gemeten in nanometer (miljardste van een meter). Het model toont PRC2 met al zijn subcomponenten en functionele gebieden een complex maken met AEBP2, een co-factor eiwit dat dient om PRC2 te stabiliseren.
Het model toont dat het PRC2-AEBP2-complex vier grote lobben omvat, verbonden door twee smalle armen, en duidelijk identificeert waar PRC2 en AEBP2 een interactie aangaan.
De onderzoekers zeggen dat hun model duidelijk laat zien hoe AEBP2 helpt om PRC2 te stabiliseren en hoe het de activiteit van verschillende subcomponenten van PRC2 helpt orkestreren.
Niet alleen zet het eerdere biochemische gegevens in het juiste perspectief, het model moet ook dienen als een hulpmiddel voor het testen van ideeën over hoe PRC2 interageert met chromatine.

Model moet verder onderzoek inspireren

Het 3D-model zou verder onderzoek moeten stimuleren naar hoe PRC2 werkt, zeggen de onderzoekers.
Bijvoorbeeld, met behulp van het model hebben Nogales en collega's al de subcomponenten die betrokken zijn bij histonbinding en methylatie geïdentificeerd: sleutelprocessen voor het lezen van de DNA-blauwdruk, en silencing van genen tijdens celgroei.
"PRC2 wordt gerekruteerd op specifieke plaatsen langs het DNA die moeten worden stilgelegd, geholpen door regelgevers zoals AEBP2", legt Nogales uit.
Kennis over de precieze locaties waar dit gebeurt tijdens gene silencing, kan worden gebruikt om specifieke deletie- of cross-linking mutanten te sturen voor toekomstige inspanningen op het gebied van drugontwerp, voegt ze eraan toe.
Middelen van het National Institute of General Medical Sciences, het Howard Hughes Medical Institute en van het Zevende Kaderprogramma van de Europese Unie PROSPECTS hielpen mee het onderzoek te bekostigen.
Geschreven door Catharine Paddock PhD