Hierarchical cysteine oxidation controls reversible amyloid formation in an ankyrin repeat protein

Eiwitten zijn de werkpaarden van het leven, kleine machines die zich opvouwen in precieze driedimensionale vormen om specifieke taken uit te voeren. Meestal is de vorm van een eiwit zijn identiteit; als het die vorm verliest, stopt het met werken. Decennialang geloofden wetenschappers dat wanneer eiwitten hun vorm verloren en samenklonterden tot stijve, touwachtige vezels die amyloïden worden genoemd, dit een teken van ziekte of dood was. Deze amyloïde klonters zijn het kenmerk van aandoeningen zoals Alzheimer en Parkinson, waarbij ze de hersenen verstoppen en cellen vernietigen. Echter, een groeiende hoeveelheid onderzoek heeft onthuld dat sommige eiwitten doelbewust kunnen overschakelen naar deze amyloïde vormen om nuttige taken uit te voeren, zoals het opslaan van hormonen of het bouwen van beschermende barrières. Het grote mysterie is geweest hoe een cel deze schakelaar beheerst. Hoe weet een eiwit wanneer het een flexibel, werkend instrument moet blijven en wanneer het zichzelf moet vergrendelen in een stijve, vezelige structuur zonder schade aan te richten?

Een team onderzoekers in Nieuw-Zeeland heeft een geavanceerde chemische schakelaar ontdekt in een eiwit uit de zebravis die deze vraag beantwoordt. Ze bestudeerden een eiwit genaamd drP18, dat fungeert als een rem op celdeling, wat helpt om tumoren te voorkomen. Dit eiwit bevat twee speciale plekken, bekend als cysteïne-residuen, die fungeren als chemische handvatten. De onderzoekers ontdekten dat deze twee handvatten niet onafhankelijk van elkaar werken. In plaats daarvan opereren ze in een strikte hiërarchie, waarbij het ene handvat het andere controleert. Wanneer het eiwit wordt blootgesteld aan specifieke chemische signalen die in het lichaam aanwezig zijn, vergrendelt het eerste handvat het tweede handvat weg, waardoor het eiwit veilig en functioneel blijft. Maar als de chemische omstandigheden veranderen, wordt het eerste handvat geblokkeerd door een ander molecuul, waardoor het tweede handvat vrijkomt om zich aan andere eiwitten vast te grijpen. Dit triggert een snelle transformatie waarbij de eiwitten aan elkaar koppelen tot lange, reversibele amyloïde vezels. Opmerkelijk genoeg ontdekten de onderzoekers dat dit hele proces wordt gecontroleerd door het type chemische oxidant dat aanwezig is, en dat de resulterende vezels net zo gemakkelijk uit elkaar kunnen worden gehaald als ze zijn opgebouwd, waardoor het eiwit terugkeert naar zijn oorspronkelijke, werkende staat.

Het verhaal begint met de ontdekking dat dit zebravis-eiwit anders gedraagt dan zijn menselijke neef. Terwijl de menselijke versie slechts één van deze chemische handvatten heeft, heeft de versie van de zebravis er twee, die ver uit elkaar gepositioneerd zijn op het oppervlak van het eiwit. De onderzoekers wilden zien of deze twee handvatten een complexer controlesysteem creëerden. Ze begonnen door het eiwit bloot te stellen aan diverse veelvoorkomende oxiderende agentia, wat chemische stoffen zijn die elektronen verwijderen en het gedrag van eiwitten kunnen veranderen. Wanneer ze een chemische stof genaamd diamide gebruikten, grepen de twee handvatten op een enkel eiwitmolecuul naar elkaar, waardoor een lus binnen het eiwit ontstond. Deze interne lus fungeerde als een veiligheidsslot, wat voorkwam dat het eiwit samenklonterde. Het eiwit bleef flexibel en enkelvoudig, onbekwaam om de stijve vezels te vormen die met amyloïden worden geassocieerd.

De uitkomst veranderde echter volledig toen de onderzoekers een andere chemische stof introduceerden, namelijk hypothiocynezuur, dat door het immuunsysteem wordt geproduceerd. Onder deze omstandigheden greep het eerste handvat, gelegen op positie 50, niet naar het tweede handvat. In plaats daarvan werd het bedekt met een klein molecuul genaamd glutathion, dat overvloedig in cellen aanwezig is. Deze coating fungeerde als een schild, waardoor het eerste handvat werd geblokkeerd om zich aan het tweede handvat vast te grijpen. Met het eerste handvat bezet, werd het tweede handvat, gelegen op positie 128, vrijgelaten. Wanneer de oxiderende chemische stof arriveerde, reikte dit vrije handvat uit en greep het hetzelfde handvat van een naburig eiwit aan. Dit creëerde een kettingreactie, waarbij vele eiwitten aan elkaar werden gekoppeld tot dimeren en vervolgens tot lange, touwachtige vezels. De onderzoekers bevestigden dat deze vezels amyloïden waren door te observeren hoe ze licht verstrooiden en door naar ze te kijken onder krachtige microscopen, waar ze verschenen als duidelijke, draadvormige structuren.

Wat deze ontdekking werkelijk uniek maakte, was het besef dat het eiwit heen en weer kon schakelen. De onderzoekers voegden een reducerend agens toe, een chemische stof die de verbindingen die de eiwitten bij elkaar houden verbreekt, en zagen de lange vezels weer oplossen in individuele, werkende eiwitten. Deze reversibiliteit bewees dat de amyloïde vorming geen teken van schade of ziekte was, maar een gecontroleerd, functioneel proces. Het team testte vervolgens of het type oxiderende chemische stof uitmaakte. Ze vonden dat verschillende chemische stoffen amyloïde vezels produceerden met verschillende vormen en snelheden van vorming. Sommige chemische stoffen creëerden lange, gebundelde touwen, terwijl andere kortere, meer gefragmenteerde draden maakten. Dit suggereerde dat de cel de structuur van de amyloïde vezels potentieel kan afstemmen door simpelweg de chemische omgeving te veranderen, wat verschillende functionele uitkomsten mogelijk maakt.

Om te begrijpen hoe dit mechanisme op moleculair niveau werkte, keken de onderzoekers nauwgezet naar de twee handvatten. Ze maten het chemische potentieel van elk handvat om te bepalen welk handvat eerst reageerde. Ze ontdekten dat het handvat op positie 50 reactiever is en zou oxideren vóór het handvat op positie 128. Dit bevestigde het hiërarchische karakter van de schakelaar: het eerste handvat fungeert als een regulator die beslist of het tweede handvat beschikbaar is om zijn werk te doen. Wanneer het eerste handvat vrij is, vergrendelt het het tweede handvat, waardoor het eiwit in zijn veilige, enkelvoudige vorm blijft. Wanneer het eerste handvat wordt geblokkeerd door glutathion, wordt het tweede handvat vrijgegeven om de amyloïde structuur te bouwen. Dit tweestaps-proces zorgt ervoor dat het eiwit alleen amyloïden vormt wanneer de specifieke chemische omstandigheden juist zijn.

De onderzoekers testten ook wat er met de functie van het eiwit gebeurde tijdens deze transformatie. In zijn normale, enkelvoudige vorm fungeert het eiwit als een rem op een sleutelenzym genaamd CDK4, dat celdeling aanstuurt. Ze ontdekten dat wanneer het eiwit amyloïde vezels vormde, het dit vermogen verloor om het enzym te stoppen. De rem op de celdeling werd effectief uitgezet. Echter, wanneer ze de vezels uit elkaar braken en het eiwit terugbrachten naar zijn enkelvoudige vorm, herwon het het vermogen om het enzym te stoppen. Dit toonde aan dat de schakeling tussen de enkelvoudige vorm en de amyloïde vorm een directe manier was om de functie van het eiwit aan en uit te zetten. De amyloïde staat was geen doodlopende weg; het was een tijdelijke, reversibele staat van opslag of inactivatie.

Om te zien of dit in een levend organisme gebeurde, injecteerden de onderzoekers de genetische instructies voor het eiwit in embryo's van de zebravis. Terwijl de embryo's groeiden, vormde het eiwit klonters die kleurden met een kleurstof die bekend staat om het binden aan amyloïde structuren. Deze klonters waren zichtbaar binnen de cellen en verdwenen wanneer de onderzoekers het weefsel behandelden met een reducerend agens. Dit bevestigde dat het eiwit deze oxidatiegestuurde transformatie in een levend dier kan ondergaan, waarschijnlijk getriggerd door de natuurlijke oxiderende chemicaliën die aanwezig zijn tijdens de ontwikkeling. De bevindingen suggereren dat de natuur een manier heeft geëvolueerd om dezelfde chemische principes die in mensen ziekte veroorzaken, te gebruiken om een functionele, reversibele schakelaar in andere organismen te creëren.

Dit werk daagt de oude visie uit dat amyloïde vorming altijd een teken is van cellulair falen. In plaats daarvan laat het zien dat eiwitten complexe, meerstaps instructies kunnen coderen om hun eigen assemblage te controleren. Het zebravis-eiwit gebruikt een regulerend handvat om een uitvoerend handvat te bewaken, waardoor een geavanceerde chemische schakelaar ontstaat die reageert op de omgeving. Het vermogen om deze structuren op aanvraag op te bouwen en af te breken suggereert dat cellen soortgelijke mechanismen kunnen gebruiken om andere eiwitten te beheren, door ze te veranderen in tijdelijke opslageenheden of structurele steunpunten wanneer dat nodig is. Het onderzoek benadrukt dat de grens tussen een functioneel eiwit en een pathologische klont niet vaststaat, maar door nauwkeurige chemische controle kan worden overschreden en weer wordt teruggezet. Door te begrijpen hoe deze schakelaars werken, kunnen wetenschappers nieuwe inzichten verkrijgen in hoe cellen hun meest kritieke processen reguleren en hoe ze deze paden in de toekomst potentieel kunnen manipuleren.