Klein, aber oho: Winzige Proteine ​​mit großer Rolle in der Biologie

Klein, aber oho: Winzige Proteine ​​mit großer Rolle in der Biologie

Salk-Wissenschaftler entdecken ein kleines Protein, das für den zellulären Haushalt wichtig ist

LA JOLLA – Wir alle wissen, wie schwierig es ist, etwas Kleines wie eine heruntergefallene Kontaktlinse zu finden, das mit dem Hintergrund verschmilzt. Für Biologen ist es ähnlich schwierig, winzige Proteine ​​vor dem komplexen Hintergrund der Zelle zu finden. Aber immer mehr Wissenschaftler erkennen, dass solche Mikroproteine, die von herkömmlichen Nachweismethoden übersehen werden, auch eine wichtige biologische Rolle spielen.

Mithilfe einer neuen Mikroprotein-Nachweisstrategie entdeckten Salk-Wissenschaftler ein menschliches Mikroprotein, das an einer der wichtigsten Haushaltsaufgaben der Zellen beteiligt ist: der Beseitigung nicht mehr benötigten genetischen Materials. Das neue Molekül könnte ein besseres Verständnis dafür liefern, wie die Menge an Genen, einschließlich Krankheitsgenen, in der Zelle gesteuert wird.

„Obwohl wir so viel über das menschliche Genom wissen, gibt es immer noch blinde Flecken in den Algorithmen zur Genomentdeckung“, sagt er Alan Saghatelian, Salk-Professor und einer der leitenden Autoren des Artikels, der in der Ausgabe vom 5. Dezember 2016 erscheint Natur Chemische Biologie. „Man kann das gesamte menschliche Genom sequenzieren und weiß nie, ob ein Protein wie dieses vorhanden ist, weil es zu kurz ist und unter den üblichen Längenanforderungen für Genzuordnungsalgorithmen liegt.“

In Zellen wird die DNA eines Gens in mRNA umgeschrieben, die dann die Produktion spezifischer Proteine ​​steuert. Nachdem das erforderliche Protein erzeugt wurde, wird der RNA-Bauplan recycelt, um die Produktion des Proteins zu stoppen. Obwohl dieser Prozess für gesunde Zellen von entscheidender Bedeutung ist, war sich niemand eines kritischen Mikroproteins in diesem Prozess bewusst, das NoBody (für nicht annotiertes P-Körper-Dissoziationspolypeptid) genannt wird.

Der Saghatelian- und Salk-Forscher Jiao Ma entschied sich zusammen mit der Co-Senior-Autorin Sarah Slavoff und der Erstautorin Nadia D'Lima, beide von der Yale University, für die Untersuchung von NoBody, weil seine Sequenz während der gesamten Evolution konserviert ist, was darauf hindeutet, dass es eine entscheidende Funktion in der menschlichen Biologie hatte. Ihre Experimente zeigten, dass NoBody mit Proteinen interagiert, die am mRNA-Recyclingprozess beteiligt sind und bekanntermaßen P-Körper-Granula bilden – Ansammlungen von mRNAs und Proteinen, die den ersten Schritt beim Abbau der mRNAs durchführen. Das Team stellte fest, dass die Einführung von NoBody in diese Zellen zum Verschwinden dieser P-Körper-Granula führte und dass Änderungen der NoBody-Spiegel in den Zellen den RNA-Recycling-Weg stören können, was eine biochemische Funktion von NoBody und ein potenzielles Ziel für zukünftige RNA-bezogene Therapeutika hervorhebt Funktionsstörung.

Einer der Gründe, warum dieses Molekül so lange übersehen wurde, ist laut Saghatelian, dass niemand wusste, dass NoBody existiert. Darüber hinaus suchte niemand nach Mikroproteinen, da unklar war, ob Mikroproteine ​​wichtige Funktionen haben würden. „Die Entdeckung von NoBody und seine Funktion beim mRNA-Recycling legen nahe, dass zumindest einige der Hunderten anderen Mikroproteine, die wir gefunden haben, ebenfalls funktionsfähig sein könnten, was eine spannende Annahme ist“, sagt er.

Slavoff fügt hinzu: „Die Tatsache, dass NoBody die ganze Zeit über in diesem intensiv untersuchten Proteinkomplex präsent war, unserer Aufmerksamkeit jedoch völlig entgangen ist, macht deutlich, wie viele weitere derzeit unbekannte Mikroproteine ​​mit essentiellen Zellmaschinen in Verbindung gebracht werden könnten.“

Um Probleme bei der Erkennung zu umgehen und herauszufinden, welche kleinen Mikroproteine ​​möglicherweise übersehen werden, kombinierten die Autoren des Artikels Genomsequenzierung und Proteinmassenspektrometrie (Proteomik), um nicht annotierte Mikroproteine ​​vorherzusagen und zu identifizieren. Das Team begann damit, den Zellinhalt der häufig untersuchten myeloischen Leukämie-Zelllinie zu isolieren und die größeren Proteine ​​zu entfernen, um nur die kleineren zurückzulassen. Anschließend verwendeten sie eine analytische Chemietechnik namens Flüssigchromatographie-Massenspektroskopie-Proteomik, um die Aminosäuresequenzen jedes Proteins, einschließlich Mikroproteinen, zu bestimmen, das in der Probe vorhanden war.

Um herauszufinden, auf welche Gene diese zurückzuführen sind, nutzte das Team eine hausgemachte Berechnungsmethode, um jedes mögliche Mikroprotein aus dem gesamten mRNA-Gehalt einer myeloischen Zelle vorherzusagen, den sie mithilfe von Genomtechniken sequenzierten. Diese benutzerdefinierte Datenbank wurde dann verwendet, um ihre Proteomikdaten nach neuartigen Mikroproteinen zu durchsuchen, und führte zur Entdeckung von über 400 neuartigen Mikroproteinen, darunter NoBody.

„Wir sagen Millionen theoretischer Proteinsequenzen aus den Genomdaten voraus, aber der Schlüssel bestand darin, mithilfe von Massenspektrometriedaten zu bestimmen, welche dieser vorhergesagten Sequenzen real sind“, sagt Ma, der dieses Projekt im Saghatelian-Labor leitete.

Die Gruppe glaubt, dass NoBody andere wichtige Mikroproteine ​​signalisieren könnte, die an Krankheiten beteiligt sein könnten. Proteinkörner kommen in vielen biologischen Prozessen vor und sind von besonderer Bedeutung bei neurologischen Erkrankungen, bei denen Proteine ​​verklumpen und sich zusammenlagern, beispielsweise in den Amyloid-Plaques, die mit der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht werden.

„Obwohl NoBody nicht direkt an der Alzheimer-Krankheit oder anderen Krankheiten beteiligt ist, deutet diese Entdeckung darauf hin, dass andere Mikroproteine ​​eine Rolle spielen könnten“, fügt Saghatelian hinzu, der auch Inhaber des Dr. Frederik Paulsen-Lehrstuhls ist. „Die Suche und Charakterisierung dieser anderen Mikroproteine ​​in Biologie und Krankheit stellt eine spannende Herausforderung in der Molekularbiologie dar.“

Zu den weiteren Autoren des Papiers gehörten Qian Chu vom Salk Institute und Lauren Winkler von Yale Universität, Ken H. Loh von der Massachusetts Institute of Technology, Elizabeth O. Corpuz und Jens Lykke-Anderson von der University of California, San Diego, und Bogdan A. Budnik von Harvard University.

Die Arbeit wurde durch ein Postdoktorandenstipendium der George E. Hewitt Foundation for Medical Research finanziert NIH, Der Leona M. und Harry B. Helmsley Charitable Trust Grant und Dr. Frederik Paulsen Chair/Ferring Pharmaceuticals.