Forscher haben die Struktur zweier Proteine aufgedeckt, die in Verbindung mit der Parkinson-Krankheit stehen. Das könnte die Entwicklung von Medikamenten beschleunigen.
Wissenschaftler des St. Jude Children's Research Hospital haben die komplexe Struktur zweier mit der Parkinson-Krankheit in Zusammenhang stehender Proteine aufgedeckt, die beide mit dem späten Auftreten der Krankheit in Verbindung gebracht werden. Die Leucine-Rich Repeat Kinase 2 (LRRK2) ist eine Proteinkinase, die andere Proteine in einem Prozess namens Phosphorylierung modifiziert; Rab29, ein Mitglied der Rab-GTPase-Familie, die den zellulären Verkehr reguliert, moduliert die Aktivität von LRRK2.
Wie Rab29 und LRRK2 synergetisch zusammenwirken, um die Parkinson-Krankheit zu verursachen, ist noch unklar. Die Forscher von St. Jude haben die Strukturen von LRRK2, das an Rab29 gebunden ist, bestimmt und so die Geheimnisse der LRRK2-Regulierung gelüftet und Erkenntnisse gewonnen, die sich auf die Entwicklung von Medikamenten auswirken. Die Arbeit wurde in Science veröffentlicht.
Die Parkinson-Krankheit ist nach der Alzheimer-Krankheit die zweithäufigste neurodegenerative Erkrankung und betrifft 1–2 % der Bevölkerung über 65 Jahre. Der genetische Zusammenhang mit der Krankheit ist bekannt, denn bei etwa 15 % der Fälle gibt es eine familiäre Vorbelastung. Es gibt zwar eine lange Liste von Genen, die mit der Krankheit in Verbindung gebracht werden, doch ist die Mutation von LRRK2 eine der häufigsten Ursachen. Aufgrund der Größe des Proteins sind Strukturstudien zu LRRK2 sehr mühsam.
„Die Arbeit mit diesem Protein ist extrem schwierig“, sagt der korrespondierende Autor Ji Sun, vom St. Jude Department of Structural Biology. Trotz dieser Schwierigkeiten präsentierten Sun und sein Team die erste Struktur von LRRK2 in voller Länge im Jahr 2021 in Cell. „In dieser ersten Veröffentlichung erhielten wir die Struktur von LRRK2, aber diese Struktur zeigte eine inaktive Konformation“, erklärte Sun. Proteine haben oft aktive und inaktive Formen, die durch verschiedene zelluläre Signale reguliert werden. Manchmal braucht es die Bindung an ein anderes Protein, um die strukturellen Veränderungen auszulösen, die ein Protein von einer inaktiven in eine aktive Form bringen. „Wir dachten also: ‚Wir haben einen Schlüsselzustand von LRRK2. Können wir seine aktive Konformation erhalten?‘“
Die Suche nach der aktiven Konformation war nicht so einfach wie das Hinzufügen von Rab29 zu LRRK2. LRRK2 kann sich in einem als Oligomerisierung bezeichneten Prozess an andere LRRK2-Moleküle binden. Dies kann ein einzelnes LRRK2-Monomer (eine Einheit) in ein Dimer (zwei Einheiten) verwandeln – oder sogar in größere Zusammenschlüsse. Das bedeutete, dass die Forscher nach der Version suchen mussten, die die aktive Form darstellt. Hinzu kam, dass sich Rab29 an Zellmembranen befindet. „In den Zellen befindet sich LRRK2 zu 90 % oder mehr im Zytosol“, erklärte Sun und bezog sich dabei auf das Zytosol, die Flüssigkeit, die von der Zellmembran umschlossen wird und viele Bestandteile der Zelle enthält. „Ein sehr kleiner Teil befindet sich an der Membranoberfläche und bildet große Oligomere. Und das sind die Versionen, die aktiv und funktionell sind“.
Mit Hilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie bestimmten die Forscher, darunter Erstautor Hanwen Zhu, PhD, St. Jude Department of Structural Biology, die ersten Strukturen des Rab29-LRRK2-Komplexes. Dazu gehören die Strukturen des Monomers (ein Paar) und des Dimers (zwei Paare), aber auch ein unerwartetes Tetramer (vier Paare). „Wir freuen uns sehr über die strukturellen Ergebnisse, da es sich um die ersten hochauflösenden LRRK2-Strukturen handelt, die in ihrem aktiven Zustand aufgenommen wurden“, so Zhu. „In diesem Tetramer sehen wir die aktive Konformation von LRRK2, aber in den Monomer- und Dimerkomplexen befindet sich LRRK2 in einer inaktiven Konformation“, fügte Sun hinzu.
Diese Ergebnisse zeigen, dass LRRK2 nicht nur dadurch aktiviert wird, mit welchen Proteinen es interagiert, sondern auch durch deren räumliche Anordnung in den Zellen. „Wir schlagen einen Übergang von einem Monomer zu einem Tetramer bei der Membranrekrutierung vor“, erklärte Sun. „Innerhalb der Zelle liegt LRRK2 meist als inaktives Monomer oder Dimer vor. Wenn aber Rab29 LRRK2 an die Membran rekrutiert, steigt die lokale Konzentration von LRRK2. Dies erleichtert dann den Übergang zum Tetramer, wodurch LRRK2 aktiv wird.“
Was bedeutet das für die Parkinson-Krankheit? Diese Strukturen liefern den Forschern eine Karte auf atomarer Ebene, anhand derer sie nachvollziehen können, wie die verschiedenen Mutationen, die die Parkinson-Krankheit verursachen, die Funktion innerhalb dieses Komplexes beeinflussen. „Alle diese Mutationen begünstigen die aktive Konformation, d. h. sie sorgen für neue Wechselwirkungen in der aktiven Konformation oder unterbrechen Wechselwirkungen in der inaktiven Konformation“, so Sun. „Die Auswirkungen der Mutationen lassen sich in unseren Strukturen sehr schön darstellen; sie sind sehr gut erklärt.“
Die Bedeutung solcher Strukturstudien liegt nicht nur in den gewonnenen Erkenntnissen, sondern auch in ihrer möglichen Anwendung für die Entwicklung von Medikamenten. So haben die Forscher beispielsweise auch die Struktur von LRRK2 in Gegenwart des Medikaments DNL201 aufgezeichnet. Dieses Medikament, das in einer klinischen Studie der Phase 1 getestet wurde, sperrt das Protein in einem aktiven Zustand, so dass es zur Validierung ihrer Ergebnisse verwendet wurde, dass das Tetramer tatsächlich die aktive Form des Komplexes ist. „Wir haben jetzt eine inaktive Konformation und eine aktive Konformation, so dass wir den Übergang vom inaktiven zum aktiven Zustand überwachen können“, erklärte Sun. „Diese Strukturen liefern dringend benötigte Erkenntnisse für Chemiker, um neue Hemmstoffe gegen LRRK2 für die Behandlung von Parkinson zu entwickeln.“
Dieser Artikel basiert auf einer Pressemitteilung des St. Jude Children's Research Hospital. Die Originalpublikation haben wir euch hier und im Text verlinkt.
Bildquelle: Osarugue Igbinoba, Unsplash
