Een gigantisch eiwit vangen: vijf nieuwe manieren om huntingtine te grijpen

De ziekte van Huntington (HvH) wordt veroorzaakt door een verandering in een enkel gen dat bekendstaat als huntingtine. Dit gen bevat de instructies voor het maken van het huntingtine-eiwithuntingtine-eiwit Eiwit dat geproduceerd wordt door het huntington-gen. Hoewel het meer dan drie decennia geleden is dat het Huntington-gen werd ontdekt, proberen wetenschappers nog steeds precies te achterhalen wat het huntingtine-eiwithuntingtine-eiwit Eiwit dat geproduceerd wordt door het huntington-gen doet in gezonde cellen en hoe de Huntington-versie de ziekte veroorzaakt.

Eén reden waarom de vooruitgang zo traag is gegaan, is dat huntingtine erg lastig te bestuderen is. Het is enorm groot, het is op ingewikkelde manieren gevouwen en de instrumenten die wetenschappers hadden, waren niet erg goed in het vastgrijpen ervan. In een nieuwe studie heeft een team uit Canada en Japan gloednieuwe chemische hulpmiddelen gemaakt: piepkleine eiwitringen, macrocycli genoemd, die huntingtine op vijf verschillende plekken kunnen vastgrijpen. Dus wat hebben ze gemaakt, wat hebben ze geleerd en waarom is dit belangrijk voor de ziekte van Huntington?

Een gigantisch eiwit dat moeilijk te zien is

Om de uitdaging te begrijpen, helpt het om je een voorstelling te maken van huntingtine. Als de meeste eiwitten zijn als gewone huishoudelijke apparaten met één taak, dan lijkt huntingtine meer op een volledige keuken – gebouwd om veel verschillende taken tegelijk te ondersteunen.

Het is een zeer lange keten die zich opvouwt tot twee grote bulten die verbonden zijn door een buigzame brug. De genetische verandering die de ziekte van Huntington veroorzaakt, bevindt zich aan het prille begin van het huntingtine-eiwithuntingtine-eiwit Eiwit dat geproduceerd wordt door het huntington-gen, waar een kort herhalend segment (gemaakt van een bouwsteen genaamd glutamineglutamine De aminozuurbouwsteen die te vaak wordt herhaald aan het begin van het gemuteerde huntingtine eiwitt) abnormaal wordt verlengd. Mensen hebben gewoonlijk rond de 20–35 van deze glutamines; bij de ziekte van Huntington stijgt dat aantal boven de 35 en kan het 50, 80 of meer bereiken.

Huntingtine heeft veel taken in het lichaam. Het helpt bij het verplaatsen van spullen binnen cellen, stelt cellen in staat om te delen en ruimt afval op. Maar we weten niet precies hoe het dit allemaal doet.

Eén ding weten we zeker: huntingtine heeft een beste vriend genaamd HAP40, een kleiner eiwit dat eraan vastplakt, ook wel een bindingspartner genoemd. Tot nu toe was HAP40 de enige bindingspartner waarvan wetenschappers een gedetailleerd structureel beeld hadden. Het vaststellen van wat huntingtine nog meer doet, en met wie, werd beperkt door het gebrek aan scherpe, specifieke instrumenten om het vast te grijpen.

Moleculaire enterhaken bouwen

Om betere instrumenten te maken, gebruikten de wetenschappers een slim systeem genaamd RaPID. Zie RaPID als een enorme speeddate-party tussen piepkleine peptidenPeptiden Kleine stukjes eiwit die signalen in het lichaam van de ene cel naar de andere overbrengen. (kleine stukjes eiwit) en huntingtine. Het team maakte een supergrote verzameling van ongeveer een biljoen verschillende kleine peptidenPeptiden Kleine stukjes eiwit die signalen in het lichaam van de ene cel naar de andere overbrengen. — dat is een 1 gevolgd door 12 nullen!

Elk peptide werd in een gesloten ring gebogen, een beetje zoals een elastiekje. Een lusvormige of gevouwen vorm kan dingen makkelijker vastgrijpen dan een rechte streng, net zoals een verbogen paperclip aan voorwerpen kan haken, terwijl een rechte draad er gewoon langs glijdt.

Elke kleine peptidering had zijn eigen naamkaartje (gemaakt van DNA). Dus wanneer een ring aan huntingtine gebonden was, konden de wetenschappers het kaartje lezen en precies weten welk peptide het was. Ze deden verschillende rondes van “vissen” om de verzameling ringpeptiden bloot te stellen aan huntingtine, alleen of gebonden aan zijn vriend HAP40. Ze verkleinden de groep tot alleen de meest plakkerige, en vijf ringpeptiden kwamen naar voren als de beste huntingtine-binders: HL2, HL5, HD4, HHL1 en HHD3.

Precies zien waar elke peptidering blijft plakken

Het vinden van peptideringen die aan huntingtine plakken is pas de eerste stap. Vervolgens wilden de wetenschappers weten waar elk van hen huntingtine vastgreep, en hoe stevig. Ze gebruikten drie coole methoden om dit uit te zoeken:

• Tests die meten hoe sterk de ringen zich vasthouden. Alle vijf de ringen hielden zich heel stevig vast, sterk genoeg om nuttige instrumenten te zijn, en misschien zelfs een startpunt voor potentiële medicijnen die giftig huntingtine zouden kunnen wegvissen.
• Een methode genaamd HDX-MS die laat zien welke delen van een eiwit bedekt raken wanneer een ring eraan vastplakt. Wanneer een ring zich aan huntingtine hecht, schermt deze bepaalde plekken af, waardoor een “voetafdruk” achterblijft die wetenschappers helpt te bepalen waar de ring landt.
• Cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM), een superkrachtige microscoop die eiwitten bevriest en 3D-beelden maakt die zo scherp zijn dat je afzonderlijke atomen kunt zien. (Ja, het is net zo cool als het klinkt.) Dit toonde de exacte contactpunten die elk peptide maakt met het huntingtine-eiwithuntingtine-eiwit Eiwit dat geproduceerd wordt door het huntington-gen.

Dit is wat ze vonden: twee ringen (HL2 and HD4) grijpen huntingtine op plekken ver verwijderd van zijn beste vriend HAP40.

Twee andere ringen (HHL1 en HHD3) werken alleen als HAP40 er is; ze wurmen zich in een klein holtetje precies tussen de twee vrienden en vouwen zichzelf in een vorm als het cijfer 8 om te passen.

De laatste ring (HL5) houdt alleen van huntingtine als het alleen is, zonder HAP40.

En hier is een belangrijk punt: de vijf ringen grepen gezond huntingtine en verlengd huntingtine even goed vast, wat vooral nuttig is bij een instrument dat ontworpen is om het eiwit in zowel gezonde als zieke cellen te bestuderen.

Vissen naar de vrienden van huntingtine in echte cellen

Nuttige instrumenten moeten in het echte leven werken, niet alleen in reageerbuizen. Dus voegden de wetenschappers een klein haakje (biotine genaamd) toe aan hun peptideringen, als een vishaak aan een lijn. Wetenschappers gebruikten deze peptidenPeptiden Kleine stukjes eiwit die signalen in het lichaam van de ene cel naar de andere overbrengen. als aas om te zien of ze huntingtine konden vangen in menselijke cellen die in schaaltjes waren gekweekt, samen met al het andere dat eraan vastplakte.

Eén vriend van huntingtine sprong er met kop en schouders bovenuit: HAP40. Het dook steeds weer op, in elk celtype dat de wetenschappers probeerden, inclusief hersenachtige cellen die lijken op de cellen die beschadigd raken bij de ziekte van Huntington. Zelfs in cellen met langere CAG-herhalingen (zoals Q45 of Q81) zat HAP40 altijd vast aan huntingtine.

Van meer dan 3.000 andere eiwitten is gerapporteerd dat ze huntingtine aanraken, maar dit experiment laat zien dat HAP40 degene is die er echt altijd is. Dit suggereert sterk dat huntingtine en HAP40 meestal als één geheel functioneren, en dat de “echte” vorm van huntingtine in cellen bijna altijd het huntingtine–HAP40-paar is.

Waarom dit belangrijk is voor de ziekte van Huntington

Deze nieuwe ringen zijn nog geen medicijnen, en de wetenschappers passen op om dat niet te beweren. Maar ze openen wel veel spannende deuren.

Ten eerste werken ze net zo goed als de instrumenten die wetenschappers voorheen gebruikten om aan huntingtine te plakken en het zichtbaar te maken (antilichamen genoemd), maar ze zijn kleiner, goedkoper en kunnen veel verschillende delen van huntingtine grijpen, niet slechts één. Ze zijn ook klein genoeg dat ze misschien in levende cellen kunnen glippen en huntingtine kunnen binden, wat huidige antilichamen niet kunnen. Dat zou wetenschappers in staat stellen om huntingtine in levende cellen te bestuderen op manieren die momenteel onmogelijk zijn.

Ten tweede zijn de 3D-beelden met hoge resolutie van deze peptideringen die aan huntingtine plakken als blauwdrukken voor het ontwerp van toekomstige medicijnen. De achtvorm toont bijvoorbeeld twee kleine holtes op het ontmoetingspunt tussen huntingtine en HAP40 waar toekomstige medicijnen zich op zouden kunnen richten, mogelijk om giftig huntingtine “weg te vissen”. De ringen kunnen ook worden gebruikt als het “grijpende” deel van coole nieuwe instrumenten zoals PROTACs (instrumenten die de cel vertellen dat huntingtine in de prullenbak moet) of PET-tracers die artsen kunnen helpen huntingtine te visualiseren in de hersenen van patiënten.

Ten derde verandert het feit dat huntingtine in cellen bijna altijd samen is met HAP40 de manier waarop we het moeten benaderen. Als we willen begrijpen wat huntingtine doet, of hoe we het kunnen repareren wanneer het verandert en giftig wordt, moeten we het waarschijnlijk bestuderen met HAP40, en niet alleen. Wetenschappers hebben nu een scherpere set instrumenten om het mysterie te onderzoeken of huntingtine zonder HAP40 kan functioneren.

Vooruitkijkend

Zoals alle wetenschap laat dit artikel veel vragen onbeantwoord. De ringen grijpen gezond en Huntington-huntingtine op dezelfde manier vast, dus ze kunnen ons nog niet vertellen hoe we ons alleen op de schadelijke soort moeten richten, iets waar onderzoekers nog steeds aan werken.

De volgende stappen zijn het testen in levende dieren en het herontwerpen ervan om cellen binnen te dringen. Er werden ook enkele nieuwe mogelijke bindingspartners van huntingtine gevonden, zoals ACADVL en HEY1, waarvoor meer tests nodig zijn om dit te bevestigen.

Dit onderzoek geeft de Huntington-gemeenschap een gloednieuwe set instrumenten voor een eiwit dat heel moeilijk vast te grijpen was. Net zoals verbazingwekkende microscopen veranderden wat wetenschappers konden zien, beloven deze piepkleine peptideringen te transformeren wat we kunnen vragen over de functie van huntingtine, bij gezondheid, bij ziekte en in de zoektoekst naar een genezing.

Samenvatting

• De ziekte van Huntington (HvH) wordt veroorzaakt door een verandering die het huntingtine-eiwithuntingtine-eiwit Eiwit dat geproduceerd wordt door het huntington-gen abnormaal lang maakt. Wetenschappers weten nog steeds niet volledig wat dit eiwit doet, omdat het enorm groot is en moeilijk te bestuderen met bestaande instrumenten.
• Met behulp van een systeem genaamd RaPID testte het team ongeveer een biljoen piepkleine ringvormige eiwitfragmenten en identificeerde er vijf die stevig en specifiek aan huntingtine plakken, elk op een andere, goed gedefinieerde plek.
• Een microscoop met hoge resolutie liet precies zien hoe de ringen zich aan huntingtine hechten. Twee ervan vouwen zich zelfs in een coole achtvorm om in een holte tussen huntingtine en zijn beste vriend HAP40 te passen.
• Toen de ringen werden gebruikt om huntingtine uit echte menselijke cellen te “vissen”, vingen ze bijna altijd HAP40 mee, ongeacht het celtype of de lengte van de CAG-herhalingCAG-herhaling Het stukje DNA aan het begin van het Huntington-gen, dat de CAG-sequentie bevat die vele malen wordt herhaald en abnormaal lang is bij mensen die de ziekte van Huntington zullen ontwikkelen..
• Deze ringen zijn relatief goedkoop, klein en flexibel, dus ze kunnen helpen bij het creëren van toekomstige Huntington-medicijnen, hersenscan-instrumenten en nieuwe manieren om schadelijk huntingtine te vernietigen.