Neue Forschung enthüllt den Arbeitsmechanismus von ABC-Transportern

Einer kürzlich veröffentlichten Studie zufolge verwenden Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in München eine spezielle Fluoreszenz-Bildgebungstechnik, um die Konformationsänderungen aufzudecken, die auftreten, wenn Kanalproteine ​​in Zellmembranen Moleküle in extrazelluläre Medien transportieren.

Biologische Zellen können als Bienenstock betrachtet werden, in dem das Protein als Arbeiterbiene fungiert. Der Unterschied ist, dass Proteine ​​interagieren können, um molekulare Maschinen zu bilden. Um den Mechanismus ihrer Funktionsvielfalt zu verstehen, stützen sich Strukturbiologen hauptsächlich auf die Analyse dreidimensionaler Strukturen nach der Kristallisation. Proteinkristalle liefern jedoch ein im Wesentlichen statisches Bild. "Diese Methode reicht also nicht aus", sagte Thorben Cordes, Professor für physikalische und synthetische Biologie an der LMU. "Wir müssen die strukturellen Veränderungen verstehen, die molekulare Bewegungen und Proteine ​​während funktioneller Prozesse durchmachen." In Zusammenarbeit mit einem Team des Imperial College London und der Universität Groningen konnten sie erfolgreich eine konformationsbedingte Veränderung in einer Klasse von membranintegrierten Transportern feststellen. Die Entdeckung wurde im EMBO-Magazin veröffentlicht.

Diese Art von Protein wird als ABC-Transporter bezeichnet, ein essentielles Membranprotein, das an vielen zellulären Prozessen beteiligt ist, einschließlich Nährstoffaufnahme, Entgiftung und Immunantwort. ABC besteht aus zwei Komponenten: 1. Die in die Membran eingebettete Transmembrandomäne bildet einen Kanal, durch den die Matrix aus der Zelle herausfließt; 2. Die intrazelluläre Nucleotidbindungsdomäne ist für die Bereitstellung der erforderlichen Energie verantwortlich - sie bindet und zerlegt ATP (den wichtigsten chemischen Energieträger der Zellen), um diesen Vorgang abzuschließen.

Cordes und Kollegen verwendeten die Einzelmolekül-FRET-Methode, um zu bestimmen, wie der ABC-Transporter sein Substrat zur Membran transportiert. Das Prinzip von FRET ist wie folgt: Zwei Moleküle sind jeweils durch zwei verschiedene Fluoreszenzfarbstoffe verbunden, und wenn sie sich in den wechselwirkenden Molekülen oder Domänen befinden, ändern sich die Fluoreszenzsignale mit dem Abstand zwischen ihnen (dh es tritt ein "Fluoreszenzresonanzenergietransfer" auf .).

Durch Messen dieser Änderungen unter Verwendung eines Mikroskops können Änderungen der Konformationsstruktur und Bindungswechselwirkungen zwischen verschiedenen Proteinuntereinheiten überwacht werden. "Auf diese Weise konnten wir zeigen, dass der Transmembrantransport von Substraten signifikante Änderungen bei der Bestätigung des ABC-Proteins erfordert", sagte Cordes. Die zwei Domänen des Transporters können in einer offenen oder geschlossenen Konformation existieren. Zu Beginn ist die Nukleotidbindungsdomäne nach innen offen. Die Bindung des ATP-Moleküls löst dann die Schließung der Struktur aus. Wenn sich das Substrat bereits in dem durch die Transmembrandomäne gebildeten Kanal befindet, wird die Transmembrandomäne in eine offene Konformation umgewandelt, das Substrat wird in die Matrix freigesetzt und dann geschlossen.

Basierend auf diesem Ergebnis erwarten die Forscher, dass Einzelmolekül-FRET die bevorzugte Methode für die weitere Untersuchung von ABC-Transportern sein wird. "Diese Transporter sind auch an der Pathogenese vieler schwerer Krankheiten beteiligt, darunter Mukoviszidose und Krebsmedikamente", erklärt Cordes. "Ein besseres Verständnis ihrer Transportmechanismen kann daher neue Behandlungsmöglichkeiten eröffnen."