Tubulin ist ein Protein, das eine wichtige Rolle in der Struktur und Funktion von Zellen spielt. Es ist der Hauptbestandteil der Mikrotubuli, langer Hohlfasern, die strukturelle Unterstützung bieten, der Zelle bei der Teilung helfen, ihr ihre Form verleihen und als Wege dienen, um molekulare Fracht innerhalb der Zelle zu bewegen.
Es gibt zwei Arten von Tubulin: alpha-Tubulin und beta-Tubulin. Zusammen bilden sie dimere (zweiteilige) Bausteine, die sich spontan zu Mikrotubuli zusammenfügen, die weitere Zyklen des Zusammenfügens und Auseinandernehmens durchlaufen.
Der Tubulin-Code
Um die Mikrotubuli zu verfeinern, werden die Dimere verschiedenen posttranslationalen Modifikationen (PTM) unterzogen. Dabei handelt es sich um chemische Veränderungen, die nach ihrer Synthese auftreten und sich auf ihre Struktur, ihre Aktivität und ihre Wechselwirkungen mit anderen Molekülen auswirken können.
Am unstrukturierten Ende des alpha-Tubulins finden zwei wichtige MTPs statt: die Polyglutamylierung, bei der Glutamat-Aminosäureketten hinzugefügt werden, und die Detyrosinierung, bei der die letzte Tyrosin-Aminosäure entfernt wird. Diese und andere PTMs finden sich zusammen in stabilen Mikrotubuli, z. B. in Neuronen.
Die Kombinationen der PTMs bilden das, was Wissenschaftler als "Tubulin-Code" bezeichnen, der mit bestimmten Funktionen der Mikrotubuli verknüpft ist. Die Tubulin-TMPs sind für die ordnungsgemäße Funktion der Mikrotubuli von entscheidender Bedeutung.
Eine Fehlregulation der TMPs wurde mit verschiedenen Krankheiten in Verbindung gebracht, darunter Krebs, Neurodegeneration und Entwicklungsstörungen. Daher ist es unerlässlich, die Bedeutung der Tubulin-PTMs zu verstehen, um unser Wissen über diese Krankheiten zu verbessern und Therapien zu entwickeln. Das Problem ist, dass wir die Mechanismen, die diese PTM-Motive steuern, nicht gut verstehen, hauptsächlich weil wir nicht über die Werkzeuge verfügen, um die Funktion und Regulierung der Tubulin-PTMs zu sezieren.
Synthetische Tubuline helfen, den Tubulin-Code zu entschlüsseln
Wissenschaftler der EPFL und der Universität Genf (UNIGE) haben eine chemische Methode entwickelt, um ein voll funktionsfähiges Tubulin zu entwerfen, das bestimmte Kombinationen posttranslationaler Modifikationen (PTM) trägt. Die Studie wurde von Prof. Beat Fierz (EPFL) und Prof. Charlotte Aumeier (UNIGE) geleitet und in Zusammenarbeit mit den Labors von Pierre Gönczy (EPFL) und Carsten Janke (Institut Curie) durchgeführt. Sie liefert Informationen über die Regulierung der Tubulinfunktion in Zellen durch spezifische TMPs.
Die Methode nutzt enzymatisch-chemisches Proteinspleißen, um an menschliche Tubulinmoleküle synthetische Alpha-Tubulin-Enden anzubringen, die mit einem unterschiedlichen Grad an Polyglutamat modifiziert wurden. Durch die Verwendung dieser "synthetischen Tubuline" konnten die Forscherinnen und Forscher zum ersten Mal modifizierte Mikrotubuli homogen zusammenfügen.
Die Forscherinnen und Forscher fanden auch heraus, dass die Polyglutamylierung von Alpha-Tubulin dessen Detyrosinierung erleichtert, indem sie die Aktivität des Vasohibin/SVBP-Proteinkomplexes, des Schlüsselenzyms, das für diese Modifikation verantwortlich ist, verstärkt. Das Team bestätigte seine Ergebnisse, indem es die Polyglutamatspiegel in lebenden Zellen veränderte und die Auswirkungen auf die Tyrosinentfernung beobachtete.
Die Studie stellt einen neuen Ansatz zur Entwicklung von Tubulinen mit spezifischen TMPs vor und zeigt eine neue Interaktion zwischen zwei wichtigen Regulationssystemen auf, die die Funktion des Tubulins kontrollieren: Polyglutamylierung und Detyrosinierung.
Die neue Methode zur Herstellung von Tubulinen mit definierten TMPs kann uns ein besseres Verständnis ihrer molekularen Funktion ermöglichen und zeigen, wie die Störung dieser TMPs zu Krankheiten führt.
Auf der Grundlage dieser Arbeit erhielten die Laboratorien von Beat Fierz und Charlotte Aumeier zusammen mit Jens Stein von der Universität Freiburg und Michael Sixt von ISTA mit Sitz in Wien ein Sinergia-Stipendium des Schweizerischen Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung für ihre Forschung, um herauszufinden, wie Tubulin-TMPs das Zytoskelett in wandernden Immunzellen kontrollieren.
Andere Mitwirkende
- Schweizerisches Institut für Experimentelle Krebsforschung (ISREC) der EPFL.
- Labor für molekulares Screening der EPFL.
- Universität Paris Sciences & Lettres
- Universität Paris-Saclay
Eduard Ebberink, Simon Fernandes, Georgios Hatzopoulos, Ninaad Agashe, Nora Guidotti, Timothy M. Reichart, Luc Reymond, Marie-Claire Velluz, Fabian Schneider, Cédric Pourroy, Carsten Janke, Pierre Gönczy, Beat Fierz, Charlotte Aumeier. Tubulin engineering by semisynthesis reveals that polyglutamylation direct detyrosination. Nature Chemistry 29 June 2023. DOI: 10.1038/s41557’023 -01228-8
