Elektronenstrahl liefert bisher beste Bilder des Huntington-Krankheitsproteins

Die Bestimmung der Form eines Proteins kann Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie es funktioniert und was bei einer Krankheit schief läuft. Huntingtin, das Protein, das die Huntington-Krankheit verursacht, war ein schwer fassbares Ziel. Eine aktuelle Studie mit Elektronenmikroskopen bietet einen eindrucksvollen Einblick in Huntingtin und ebnet den Weg für zukünftige Arbeiten.

Sehen heißt glauben

Proteine sind die Maschinen, die alle wichtigen alltäglichen Aufgaben erfüllen, die unsere Zellen ausführen müssen. Die präzise 3D-Form oder Struktur eines Proteins verleiht ihm die Fähigkeit, seine spezielle Aufgabe zu erfüllen.

Huntingtin, das Protein, das die Huntington-Krankheit verursacht, hat einen „Schwanz“, der aus einer Chemikalie namens Glutamin besteht, einem der Proteinbausteine. Wenn der Schwanz übermäßig lang ist, aufgrund einer Mutation im DNA-Bauplan für Huntingtin, verursacht dies HD. Wir verstehen noch nicht genau, wie die zusätzlichen Glutamine Huntingtin von einem normal funktionierenden Protein in ein schädliches Protein verwandeln. Bisher haben Wissenschaftler versucht, dies herauszufinden, indem sie hauptsächlich untersuchten, was Huntingtin tut, aber vielleicht würden wir einige wichtige Hinweise erhalten, wenn wir Huntingtin sehen könnten.

Warum wollen wir wissen, wie Huntingtin aussieht?

Es gibt zwei Hauptgründe, um herauszufinden, wie Huntingtin aussieht.

Erstens, wenn wir die Struktur von Huntingtin kennen würden, würde uns dies wahrscheinlich Hinweise darauf geben, wie normales Huntingtin funktioniert und was bei HD schief läuft. Diese Informationen könnten verwendet werden, um zukünftige Forschung zu lenken und den Entdeckungsprozess zu beschleunigen.

Zweitens, wenn wir sehr detaillierte Informationen über die Struktur von Huntingtin hätten, wäre es möglicherweise möglich, Medikamente zu entwickeln, die auf das toxische „mutierte“ Huntingtin abzielen würden.

Warum ist es so schwer?

Proteine sind zu klein, um sie mit einfachen Methoden zu sehen. Wenn man ein einzelnes Molekül des Huntingtin-Proteins so weit vergrößern könnte, dass es leicht sichtbar wäre, sagen wir auf die Größe einer Wassermelone, wäre das so, als würde man eine Wassermelone so weit vergrößern, dass sie so breit wie die USA wäre. Selbst die besten verfügbaren Lichtmikroskope sind bei weitem nicht leistungsfähig genug, um ein einzelnes Huntingtin-Molekül zu sehen.

Hier kommen Elektronen ins Spiel. Elektronen sind fast unvorstellbar kleine Teilchen, die sich am Rand von Atomen befinden – und sie können in Mikroskopen verwendet werden. Während Licht an einem einzelnen Protein vorbeigeht und es kaum bemerkt, spüren Elektronen einen starken Schub vom Protein, der letztendlich erkannt und zur Erstellung eines Bildes verwendet werden kann. Ein Elektronenmikroskop war also das Instrument der Wahl für ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Ihn Sik Seong von der Harvard Medical School, das die Struktur von Huntingtin untersuchen wollte.

Zuerst manipulierten sie Insektenzellen genetisch, um menschliches Huntingtin zu produzieren. Anschließend konnten sie das Huntingtin-Protein extrahieren und alle anderen Proteine entfernen, mit denen es in den Insektenzellen vermischt war. Das Huntingtin-Protein wurde dann auf ein kleines Metallgitter gelegt und in ein Elektronenmikroskop gegeben. Anschließend nahmen sie mit dem Elektronenmikroskop Bilder des Gitters auf, die ihnen körnige Bilder mit kleinen weißen Objekten lieferten: ihre erste Ansicht der einzelnen Huntingtin-Moleküle.

Huntingtin mag Yoga?

Soweit so gut, aber die Forscher standen vor einem weiteren Problem. Wenn man die Bilder der einzelnen Huntingtin-Moleküle nebeneinander legen würde, würden sie alle etwas anders aussehen. Anders ausgedrückt, es scheint, dass Huntingtin flexibel ist – es mag es, herumzuzappeln und verschiedene Formen anzunehmen.

Um ihre Sicht auf Huntingtin zu verbessern, griffen sie auf eine Technik zurück, die von den meisten Elektronenmikroskopikern verwendet wird, das sogenannte „Averaging“. Sie verwendeten einen Computer, um etwa 10.000 Bilder einzelner Huntingtin-Moleküle zu kombinieren, um die allen gemeinsamen Merkmale hervorzuheben. Dies gab ihnen eine viel bessere Vorstellung davon, wie ein „durchschnittliches“ Huntingtin aussieht. Dies wäre ähnlich wie das Übereinanderlegen vieler Bilder von Gesichtern von Menschen – man würde die Details ihrer individuellen Gesichtsausdrücke verlieren, aber die wirklich wichtigen Merkmale beibehalten, wie z. B. die Tatsache, dass jede Person zwei Augen, zwei Ohren und einen Mund hat.

Ihre endgültige 3D-Struktur zeigt, dass Huntingtin wahrscheinlich aus zwei „Armen“ besteht, die durch ein „Gelenk“ miteinander verbunden sind, das es den Armen ermöglicht, sich zu biegen und einander zu berühren, wodurch etwas entsteht, das insgesamt einer Kugel ähnelt. Als die Forscher die Strukturen von normalem und mutiertem Huntingtin verglichen, sahen sie einen kleinen Unterschied in der Form, was darauf hindeutet, dass die HD-Mutation die Struktur von Huntingtin auf subtile Weise beeinflusst.

In einem anderen Experiment verwendeten die Forscher eine Chemikalie, um eng beieinander liegende Regionen von Huntingtin zufällig miteinander zu verbinden. Auf der Suche nach den chemischen Verbindungen konnten sie erkennen, welche Regionen des Proteins wahrscheinlich nebeneinander liegen. Sie fanden heraus, dass sich die Biegung der beiden Arme von Huntingtin veränderte, wenn sie die Anzahl der Glutamine im Schwanz von Huntingtin erhöhten. Der Arm mit den Glutaminen krümmte sich weniger und der andere Arm krümmte sich stärker. Was genau das bedeutet, ist noch nicht klar, aber es deutet darauf hin, dass eine kleine Veränderung in einem Teil des Proteins Folgen für das Protein als Ganzes haben kann – eine potenziell wichtige Erkenntnis, die dazu beitragen könnte, zu erklären, wie Glutamin-verlängertes Huntingtin bei HD verändert wird.

Einschränkungen und nächste Schritte

Es hat sich herausgestellt, dass Huntingtin sehr schwierig zu verarbeiten ist, daher mussten die Forscher eine Chemikalie verwenden, um es zu stabilisieren, und eine andere Chemikalie, um es im Mikroskop besser sichtbar zu machen. Diese Chemikalien könnten die Struktur von Huntingtin leicht verändert und ihre Interpretation beeinflusst haben. Eine Möglichkeit, dies zu überwinden, besteht darin, Proteine in Eis einzubetten, wodurch die Notwendigkeit dieser anderen Chemikalien entfällt, und zukünftige Experimente werden sich wahrscheinlich mit diesen Problemen befassen.

Es ist auch erwähnenswert, dass das Huntingtin in diesem Experiment gereinigt und in ein Reagenzglas gegeben wurde, sodass die Bandbreite der Formen, die Huntingtin annehmen kann, im menschlichen Gehirn, wo es mit anderen Proteinen interagiert, wahrscheinlich noch größer ist.

Was ist der nächste Schritt?

Diese Studie bietet einen aufregenden Einblick in Huntingtin, aber es gibt noch viel zu tun. Die von Seong und Kollegen erhaltene Struktur ist sicherlich nicht detailliert genug, um für die Entwicklung von Medikamenten gegen HD nützlich zu sein. Moderne Elektronenmikroskope werden jedoch immer besser darin, die Struktur von Proteinen zu erfassen, und zukünftige Studien werden darauf abzielen, genau das mit Huntingtin zu tun. Eine detaillierte Kenntnis der Struktur von Huntingtin könnte entscheidend sein, um zu verstehen, was bei HD schief läuft. Jetzt beginnen die Forscher, den Vorhang für Huntingtin zu lüften.

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• Die sphärische Solenoidstruktur von Huntingtin ermöglicht eine Polyglutamin-abhängige Modulation seiner Struktur und Funktion (Open Access)