Quantitative characterization of PP2A-derived peptides modulating the LRRK2:PP2A protein-protein interaction

Parkinson is een progressieve aandoening die het vermogen van de hersenen om beweging te controleren langzaam aantast, wat miljoenen mensen wereldwijd treft. Momenteel is er geen behandeling die het verloop van de ziekte kan stoppen of omkeren; bestaande therapieën beheersen alleen de symptomen. Een belangrijke aanwijzing voor het begrijpen van wat er misgaat, ligt bij een eiwit genaamd LRRK2. In veel gevallen van Parkinson wordt dit eiwit overactief, wat de dood van hersencellen aanjaagt. De activiteit van LRRK2 wordt gereguleerd door een chemische schakelaar: wanneer bepaalde delen van het eiwit zijn voorzien van fosfaatgroepen, blijft het rustig en op de juiste plek binnen de cel. Wanneer deze labels worden verwijderd, wordt het eiwit hyperactief en beweegt het naar gevaarlijke locaties. De cellulaire machinerie die verantwoordelijk is voor het verwijderen van deze labels is een groep enzymen die fosfatasen worden genoemd, specifiek een team genaamd PP2A. Als wetenschappers de PP2A zouden kunnen stoppen met het interageren met LRRK2, zouden ze de beschermende fosfaatlabels op hun plaats kunnen houden, wat de ziekte mogelijk kan vertragen. Het is echter te gevaarlijk om PP2A simpelweg uit te schakelen, omdat het essentieel is voor veel andere gezonde functies in het lichaam. De uitdaging is om een manier te vinden om alleen de specifieke handdruk tussen LRRK2 en PP2A te blokkeren zonder de rest van de cel te verstoren.

Onderzoekers aan de Universiteit van Lille in Frankrijk hebben een belangrijke stap gezet richting het oplossen van dit probleem door kleine stukjes van het PP2A-eiwit te identificeren en te testen die fungeren als lokvogels. Het team concentreerde zich op twee specifieke korte ketens van aminozuren, die de bouwstenen van eiwitten zijn, afkomstig van het PP2A-enzym. Ze wilden zien of deze kleine ketens aan LRRK2 zouden kunnen binden en de volledige PP2A-enzym kunnen verhinderen zich eraan te hechten. Met behulp van een gevoelige techniek die meet hoe sterk moleculen aan elkaar plakken, ontdekten de wetenschappers dat deze peptideketens inderdaad aan LRRK2 binden. Eén van de ketens, genaamd HT16, hechtte met een sterkte die suggereert dat het een nuttig hulpmiddel kan zijn voor de ontwikkeling van medicijnen, terwijl de andere, QA16, op zichzelf zwakker bond.

De meest verrassende ontdekking kwam toen de onderzoekers testten wat er gebeurde wanneer beide ketens tegelijkertijd aanwezig waren. In plaats van alleen hun individuele effecten bij elkaar op te tellen, werkten de twee ketens op een coöperatieve manier samen. Wanneer beide ketens werden gemengd met LRRK2, nam de bindingssterkte van het paar drastisch toe en werd deze zeven keer sterker dan wanneer elk afzonderlijk werd getest. Dit suggereert dat de twee ketens op twee verschillende plekken aan het LRRK2-eiwit binden, en dat wanneer er één is bevestigd, dit de vorm van het eiwit verandert op een manier die het voor de tweede keten veel gemakkelijker maakt om zich aan te hechten. Dit coöperatieve gedrag wijst erop dat de twee plekken dicht bij elkaar liggen en elkaar beïnvloeden, een kenmerk dat in de toekomst gebruikt kan worden om veel krachtigere remmers te ontwerpen.

Om te zien of deze bevindingen standhielden in een levende omgeving, gingen de onderzoekers van reageerbuizen naar menselijke cellen die in een laboratorium werden gekweekt. Ze introduceerden de peptideketens in deze cellen en observeerden of ze de natuurlijke samenwerking tussen LRRK2 en PP2A konden verstoren. De resultaten lieten zien dat de QA16-keten bijzonder effectief was, waarbij deze erin slaagde het PP2A-enzym in ongeveer de helft van de gevallen weg te duwen van LRRK2. De HT16-keten, hoewel deze goed bond in de reageerbuis, vertoonde niet dezelfde bekwaamheid om het complex in de cel uiteen te laten gaan wanneer deze alleen werd gebruikt. Echter, toen de onderzoekers de genetische code van het PP2A-enzym bestudeerden om precies te voorspellen waar deze ketens zitten, vonden ze dat de twee ketens op het oppervlak van het eiwit liggen op een manier die ze toegankelijk maakt voor interactie. Door kleine wijzigingen aan te brengen in de structuur van het PP2A-eiwit, bevestigden de wetenschappers dat specifieke plekken op het eiwit cruciaal zijn voor deze binding, wat het idee valideert dat deze kleine ketens inderdaad sleutels zijn voor de verbinding.

De studie onderzocht ook of deze peptideketens het verlies van de beschermende fosfaatlabels op LRRK2 konden voorkomen. In de cellen gebruikten de onderzoekers een medicijn om de verwijdering van deze labels te forceren, waardoor de omstandigheden die men bij Parkinson ziet, werden gesimuleerd. Hoewel de peptideketens dit proces onder de specifieke geteste omstandigheden niet volledig konden stoppen, vertoonde één van hen wel de neiging om de labels aan te houden wanneer de cellen in rust waren. Dit suggereert dat, hoewel de peptiden nog geen volledige genezing zijn, ze het potentieel hebben om de gezonde staat van het eiwit te behouden. De onderzoekers gebruikten geavanceerde computermodellering om te visualiseren hoe de eiwitten in elkaar passen, waarbij ze specifieke atomen op het PP2A-enzym identificeerden die fungeren als hotspots voor de interactie. Ze bevestigden deze voorspellingen door die specifieke atomen te veranderen en te observeren hoe de verbinding verzwakte, wat bewees dat hun computermodellen nauwkeurig genoeg waren om echte experimenten te begeleiden.

Dit werk biedt de eerste gedetailleerde, kwantitatieve kaart van hoe het PP2A-enzym zich aan LHRK2 vastgrijpt. Het gaat verder dan alleen weten dat de twee eiwitten met elkaar interageren, naar het begrijpen van exact welke delen van de eiwitten elkaar raken en hoe sterk die aanraking is. De ontdekking dat twee kleine ketens samenwerkend veel sterker kunnen binden, biedt een nieuwe strategie voor het ontwerpen van medicijnen. In plaats van te proberen één enkel molecuul te bouwen dat de gehele interactie blokkeert, zouden wetenschappers een enkel, groter molecuul kunnen creëren dat de kenmerken van beide ketens combineert om met extreme precisie op LRRK2 te vergrendelen. Hoewel deze peptiden nog geen behandeling zijn voor patiënten, dienen ze als krachtige moleculaire instrumenten. Ze bewijzen dat het mogelijk is om deze specifieke interactie te targeten zonder het hele PP2A-systeem uit te schakelen, wat een duidelijk pad opent voor de ontwikkeling van therapieën die LRRK2 in toom kunnen houden en de hersenen kunnen beschermen tegen de verwoestingen van de ziekte van Parkinson.