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Wird die Interaktion zweier Proteine ​​in verschiedenen Geweben variieren?

Wird die Interaktion zweier Proteine ​​in verschiedenen Geweben variieren?


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Angenommen, Protein A und B sind beide in Gewebe X und Gewebe Y reichlich vorhanden. Werden A und B in X interagieren, aber nicht in Y?

Ich vermute, A und B könnten Biomarker einer bestimmten Krankheit sein, und in den pathologischen Geweben bleibt ihre Menge relativ unverändert, interagieren aber nicht mehr, wodurch ihre Funktionalität verloren geht und die Krankheit verursacht wird.

Eine mögliche Bedingung wäre, dass A und B nicht direkt interagieren, sondern ein drittes Protein C als Gerüst benötigen, um den Komplex A-C-B zu bilden. Wenn also C in Gewebe X, aber nicht in Y exprimiert wird, würden wir dieses Phänomen beobachten.

Gibt es andere Mechanismen oder Beispiele?


Ihr Beispiel einer durch ein Gerüstprotein vermittelten Interaktion ist sicherlich eine Möglichkeit, Proteininteraktionen zu kontrollieren. Dies geschieht nicht nur in verschiedenen Geweben, sondern dient auch dazu, die Interaktion bestimmter Proteine ​​innerhalb einer Zelle fein zu steuern, das bemerkenswerteste Beispiel hierfür sind die Kinasen im MAP-Weg (siehe zum Beispiel dieses Papier).

Eine andere Möglichkeit, die ich sehe, ist, dass A und B interagieren können, aber nur, wenn (mindestens) einer von ihnen modifiziert wird, z. durch Phosphorylierung - die eigentliche Interaktion findet also mit Ap und B statt. In einem solchen Fall ist es nicht unwahrscheinlich, dass das Protein, das A modifiziert, nur in bestimmten Geweben exprimiert (oder aktiv) wird, was dann bedeutet, dass A(-p) und B nur in diesen Geweben interagieren.


Entschlüsselung von Zell-Zell-Interaktionen und -Kommunikation durch Genexpression

Zell-Zell-Interaktionen orchestrieren die Entwicklung des Organismus, die Homöostase und die Einzelzellfunktionen. Wenn Zellen nicht richtig interagieren oder molekulare Botschaften falsch entschlüsseln, kommt es zu Krankheiten. Daher ist die Identifizierung und Quantifizierung interzellulärer Signalwege zu einer gängigen Analyse in verschiedenen Disziplinen geworden. Die Erweiterung von Protein-Protein-Interaktionsdatenbanken und jüngste Fortschritte bei RNA-Sequenzierungstechnologien haben routinemäßige Analysen der interzellulären Signalübertragung aus Genexpressionsmessungen von Massen- und Einzelzelldatensätzen ermöglicht. Insbesondere Ligand-Rezeptor-Paare können verwendet werden, um aus der koordinierten Expression ihrer verwandten Gene auf die interzelluläre Kommunikation zu schließen. In diesem Aufsatz heben wir Entdeckungen hervor, die durch Analysen von Zell-Zell-Interaktionen aus transkriptomischen Daten ermöglicht wurden, und besprechen die in diesem Zusammenhang verwendeten Methoden und Werkzeuge.


Protein-Interaktome am Baum des Lebens

Der folgende Stammbaum zeigt 1.539 Bakterien, 111 Archaeen und 190 Eukaryas. Da die Arten der Vorfahren ausgestorben sind, sind ältere Protein-Interaktome verloren gegangen, und uns stehen nur Interaktome der heutigen Arten zur Verfügung. Für jede Spezies konstruieren wir ein separates PPI-Netzwerk, d. h. das Protein-Interaktom. Ein Interaktom erfasst alle physikalischen Protein-Protein-Interaktionen innerhalb einer Spezies, von direkten biophysikalischen Protein-Protein-Interaktionen bis hin zu regulatorischen Protein-DNA- und metabolischen Interaktionen.


GRUNDLAGEN FÜR DIE PROTEINSYNTHETISCHE BIOLOGIE

Die Synthetische Biologie zielt darauf ab, den Boden für das routinemäßige Engineering komplexer biologischer Systeme zu bereiten ( 13, 15). Tatsächlich sind die Grundlagen für eine proteinsynthetische Biologie solider als für viele andere Bereiche in diesem jungen Feld. Eine ganze Industrie unterstützt Biochemiker bei der Manipulation und Herstellung rekombinanter Proteine. Kleine und große Initiativen liefern atomare Strukturen ( 16), Elektronenmikroskopie ( 17) und andere Methoden liefern Bilder großer Aggregate, und eine breite Palette biophysikalischer Methoden widmet sich der detaillierten Untersuchung von Proteinfunktion und -dynamik. Die experimentellen Methoden werden durch ein reichhaltiges Set an Modellierungswerkzeugen ergänzt. Quantenmechanische Rechnungen beschreiben schnelle Reaktionsmechanismen auf subatomarer Ebene (18). Molekularmechanische Strategien treiben die Simulation atomarer Dynamik in den Mikrosekundenbereich (19). Näherungen höherer Ordnung ( 18) unterstützen rationales Design ( 20), virtuelles Screening nach Bindungspartnern ( 21) oder die Vorhersage von Strukturen ( 22) und Anordnungsgeometrien ( 23). Zugegeben, nichts davon ist einfach. Andererseits haben synthetische Biologen den Luxus, gut charakterisierte Systeme herauszupicken, für die diese Methoden tatsächlich funktionieren. Ein Proteinsystemingenieur kann so eine nahezu vollständige Informationskette von makroskopischen Größen wie Geschwindigkeitskonstanten oder Stabilitäten bis ins subatomare Detail aufbauen. Im Gegensatz dazu verlassen sich die meisten Projekte der synthetischen Biologie derzeit auf die Kunst des „Black Box Engineering“ mit nur teilweisem Verständnis der Systeme, mit denen sie es zu tun haben. Synthetische Gennetzwerke zum Beispiel hängen von komplexen Transkriptions- und Translationsmaschinen ab und unterliegen Variationen des Zellzustands und anderen „Nebenwirkungen“. Nur-Protein-Schaltungen wären einem rationaleren Designansatz zugänglich – sie könnten optimiert werden in vitro und in Lösungen oder Extrakten mit zunehmender Komplexität getestet werden, bevor sie für tatsächliche Zellen verwendet werden. RNA-basierte Geräte (24) oder DNA-Berechnungssysteme (25) können ähnliche Kontrollebenen bieten und wie in natürlichen Zellen könnten sich DNA-, RNA- und Protein-Geräte in Zukunft in synthetischen Systemen (15) ergänzen.

Das Engineering einzelner Proteine ​​ist zu einer vollwertigen wissenschaftlichen Disziplin mit wichtigen Anwendungen gereift. Traditionell wurde dieses Feld von Methoden der gerichteten Evolution dominiert, die große Proteinpools mit teilweise randomisierter Sequenz umfassen (26). In jüngerer Zeit werden computergestützte Proteindesignmethoden immer erfolgreicher beim strukturbasierten Engineering von Proteinfaltungen, Wechselwirkungen und Aktivitäten (20). Eine Kombination beider Ansätze gipfelte kürzlich in der de-novo Design von zwei Enzymen ( 27, 28) mit neuartigen Aktivitäten, die in der Natur nicht vorkommen. Proteiningenieure richten ihre Aufmerksamkeit jedoch zunehmend von der Manipulation von Resten innerhalb einzelner globulärer Proteine ​​auf die Rekombination und Fusion ganzer Proteindomänen (29–32).


Horizontale Zellbiologie: Überwachung globaler Veränderungen von Proteinwechselwirkungszuständen mit dem Proteom-Wide Cellular Thermal Shift Assay (CETSA)

Der Cellular Thermal Shift Assay (CETSA) ist eine biophysikalische Technik, die direkte Untersuchungen der Ligandenbindung an Proteine ​​in Zellen und Geweben ermöglicht. Die proteomweite Implementierung von CETSA mit Massenspektrometrie-Detektion (MS-CETSA) wurde nun erfolgreich angewendet, um Targets für Orphan Clinical Drugs und Hits aus phänotypischen Screens zu entdecken, Off-Targets zu identifizieren und Polypharmakologie und Arzneimitteltoxizität zu erklären. Hochempfindliche multidimensionale MS-CETSA-Implementierungen können nun auch auf die Bindung physiologischer Liganden an Proteine ​​wie Metaboliten, Nukleinsäuren und andere Proteine ​​zugreifen. MS-CETSA kann dadurch umfassende Informationen über die Modulation von Proteinwechselwirkungszuständen in zellulären Prozessen liefern, einschließlich nachgelagerter Wirkungen von Medikamenten und Übergängen zwischen verschiedenen physiologischen Zellzuständen. Solche horizontalen Informationen zur Ligandenmodulation in Zellen sind weitgehend orthogonal zu vertikalen Informationen auf den Ebenen verschiedener Proteine ​​und eröffnen daher neue Möglichkeiten zum Verständnis operativer Aspekte zellulärer Proteome.


Zellverbindungen

Es gibt drei funktionelle Kategorien von Zellverbindungen: anhaftende Verbindungen, oft als Desmosomen dichte oder verschließende Verbindungen und Lücken oder durchlässige Verbindungen bezeichnet. Adhäsive Verbindungen halten Zellen mechanisch zusammen und sind mit intrazellulären Fasern des Zytoskeletts verbunden. Tight Junctions halten auch Zellen zusammen, bilden aber durch Verschmelzung benachbarter Zellmembranen eine nahezu dichte interzelluläre Abdichtung. Sowohl adhäsive Junctions als auch Tight Junctions sind hauptsächlich in Epithelzellen vorhanden. Viele Zelltypen besitzen auch Gap Junctions, die es kleinen Molekülen ermöglichen, durch einen Kanal von einer Zelle zur nächsten zu gelangen.


Die Diffusion kann entweder eine einfache Diffusion sein und durch ein anderes Molekül erleichtert werden

Einfache Diffusion

Einfache Diffusion ist lediglich die Bewegung von Molekülen entlang ihres Konzentrationsgradienten ohne direkte Beteiligung anderer Moleküle. Dabei kann es sich entweder um die Ausbreitung eines Materials durch ein Medium oder den Transport eines Partikels durch eine Membran handeln. Alle oben angegebenen Beispiele waren Beispiele einfacher Diffusion.


Das Bild ist eine einfache Darstellung der Diffusion eines Partikels in ein anderes Medium.

Einfache Diffusion ist bei chemischen Reaktionen, bei vielen physikalischen Phänomenen relevant und kann sogar globale Wettermuster und geologische Ereignisse beeinflussen. In den meisten biologischen Systemen erfolgt die Diffusion über eine semipermeable Membran, die aus einer Lipiddoppelschicht besteht. Die Membran weist Poren und Öffnungen auf, um den Durchgang bestimmter Moleküle zu ermöglichen.

Erleichterte Diffusion

Andererseits erfordert die erleichterte Diffusion, wie der Begriff schon sagt, die Anwesenheit eines anderen Moleküls (des Facilitators), damit die Diffusion stattfinden kann. Für die Bewegung großer oder polarer Moleküle durch die hydrophobe Lipiddoppelschicht ist eine erleichterte Diffusion erforderlich. Für die biochemischen Prozesse jeder Zelle ist eine erleichterte Diffusion notwendig, da zwischen verschiedenen subzellulären Organellen eine Kommunikation stattfindet. Während beispielsweise Gase und kleine Moleküle wie Methan oder Wasser frei durch eine Plasmamembran diffundieren können, benötigen größere geladene Moleküle wie Kohlenhydrate oder Nukleinsäuren die Hilfe von Transmembranproteinen, die Poren oder Kanäle bilden.


Das Bild zeigt die Bewegung eines unlöslichen Moleküls aus dem extrazellulären Raum in Richtung Zytoplasma.

Da es sich um relativ große Öffnungen in der Plasmamembran handelt, weisen diese integralen Membranproteine ​​auch eine hohe Spezifität auf. Zum Beispiel hat das Kanalprotein, das Kaliumionen transportiert, eine viel höhere Affinität für dieses Ion als ein sehr ähnliches Natriumion, mit fast der gleichen Größe und Ladung.


WAS WERDEN WIR LERNEN?

Synthetische Proteinkreisläufe werden einen Härtetest für systembiologische Methoden und unser Verständnis im Allgemeinen darstellen. Ein System, das aus gut charakterisierten Teilen nach menschlichen Vorgaben gebaut wurde, lässt wenig Entschuldigung für fehlgeschlagene Vorhersagen. Tatsächlich sollten wir in der Lage sein, synthetische Proteinkreisläufe wiederherzustellen in vitro und studieren sie nahezu ohne Wissenslücken. Sequenzen und Strukturen sollen bekannt sein, Moleküldynamiken können simuliert, Geschwindigkeiten und Gleichgewichtskonstanten gemessen und Reaktionen modelliert werden. Sorgfältig kontrollierte synthetische Proteinsysteme könnten uns daher ermöglichen, tief in die Terra inkognita zwischen Struktur- und Systembiologie und untersuchen die gegenseitige Abhängigkeit von Proteinarchitektur, molekularer Dynamik und zellulärer Signalverarbeitung.

Synthetische Mehrkomponenten-Proteinsysteme können ebenfalls wertvolle Forschungswerkzeuge werden. Eine erste Generation einfacher Zweikomponenten-Proteininteraktionsgeräte hat in Laboratorien als Sensoren und Kontrollen weit verbreitete Verwendung gefunden: Hefe-Zwei-Hybrid (104) und verwandte Methoden wandeln Proteinbindung in Genexpression um und haben Millionen von physikalischen Wechselwirkungen aufgedeckt. Proteinkomplementationsgeräte ( 105– 107) bieten alternative Interaktionsanzeigen. Die neueste Generation von Medikamenten- oder sogar Licht-induzierbaren Interaktionseingabegeräten ( 55, 57, 63) ermöglicht es Forschern nun, zelluläre Dynamik mit hoher zeitlicher und sogar räumlicher Auflösung abzufangen und zu manipulieren. Einige dieser Interaktionseingabegeräte wurden bereits mit wiederverwendbaren Ausgabegeräten kombiniert, um beispielsweise eine Feinsteuerung der Expression ( 57), Proteolyse ( 127, 129) oder Intein-Spleißen ( 113, 117 ) zu ermöglichen. Beispiele sind in den Tabellen 1 und 2 angegeben.


Die extrazelluläre Matrix

Ein wesentlicher Teil des Gewebes ist der Raum außerhalb der Zellen, der extrazelluläre Raum genannt wird. Dieser ist mit einem Verbundmaterial, der sogenannten extrazellulären Matrix, gefüllt, das aus einem Gel besteht, in dem eine Reihe von Faserproteinen suspendiert sind. Das Gel besteht aus großen Polysaccharidmolekülen (komplexer Zucker) in einer wässrigen Lösung von anorganischen Salzen, Nährstoffen und Abfallprodukten, die als interstitielle Flüssigkeit bekannt sind. Die Hauptproteintypen in der Matrix sind Strukturproteine ​​und Adhäsionsproteine.

Es gibt zwei allgemeine Arten von Geweben, die sich nicht nur in ihrer zellulären Organisation, sondern auch in der Zusammensetzung ihrer extrazellulären Matrix unterscheiden. Der erste Typ, mesenchymales Gewebe, besteht aus Zellhaufen, die zusammen gruppiert sind, aber nicht eng aneinander haften. Sie synthetisieren ein stark hydratisiertes Gel, reich an Salzen, Flüssigkeit und Fasern, die als interstitielle Matrix bekannt ist. Bindegewebe ist ein Mesenchym, das andere höher organisierte Gewebe zusammenhält. Die Festigkeit verschiedener Bindegewebe variiert je nach Konsistenz ihrer extrazellulären Matrix, die wiederum vom Wassergehalt der Gele, der Menge und Art der Polysaccharide und Strukturproteine ​​sowie der Anwesenheit anderer Salze abhängt. Zum Beispiel ist Knochen reich an Kalziumphosphat, wodurch die Sehnen des Gewebes meist faserige Strukturproteine ​​​​sind, die eine seilartige Konsistenz ergeben und die Gelenkräume mit einer Schmierflüssigkeit aus hauptsächlich Polysacchariden und interstitiellen Flüssigkeit gefüllt sind.

Epithelgewebe, der zweite Typ, sind Zellschichten, die an ihren seitlichen oder seitlichen Oberflächen haften. Sie synthetisieren und lagern an ihrer unteren oder basalen Oberfläche einen organisierten Komplex von Matrixmaterialien ab, der als Basallamina oder Basalmembran bekannt ist. Diese dünne Schicht dient als Grenze zum Bindegewebe und als Substrat, an dem Epithelzellen befestigt sind.


Neue COVID-19-“mexikanische Variante” identifiziert: zunehmende Verbreitung in Nordamerika

Es ist in Mexiko seit kurzem bekannt und weist, ähnlich wie andere Varianten, eine Mutation im Spike-Protein des Coronavirus auf. Die „mexikanische Variante“ wurde von einer Forschungsgruppe der Universität Bologna identifiziert.

Eine Forschungsgruppe des Departments für Pharmazie und Biotechnologie der Universität Bologna hat mehr als eine Million SARS-CoV-2-Genomsequenzen analysiert. Diese Analyse führte zur Identifizierung einer neuen Variante, die sich in den letzten Wochen vor allem in Mexiko verbreitet hat, aber auch in Europa gefunden wurde. Ihr Papier veröffentlicht in der Zeitschrift für Medizinische Virologie präsentierte die sogenannte “mexikanische Variante”, deren wissenschaftlicher Name T478K ist. Wie bei anderen Stämmen stellt dies eine Mutation im Spike-Protein dar, die es Coronaviren ermöglicht, sich an ihre Zielzellen anzuheften und diese zu durchdringen.

“Diese Variante verbreitet sich zunehmend unter den Menschen in Nordamerika, insbesondere in Mexiko. Bis heute deckt diese Variante mehr als 50 % der in diesem Bereich existierenden Viren ab. Die Geschwindigkeit und Geschwindigkeit der Ausbreitung erinnern an die ‘britische Variante'”, erklärt Federico Giorgi, Studienkoordinator und Professor an der Fakultät für Pharmazie und Biotechnologie der Universität Bologna. “Die Mutation des Spike-Proteins liegt strukturell im Bereich der Interaktion mit dem menschlichen Rezeptor ACE2. Coronaviren heften sich an diesen Rezeptor, um Zellen zu infizieren, wodurch die Infektion wirksamer verbreitet wird.”

Die Forscher gingen von der Analyse von fast 1,2 Millionen sequenzierten Proben des SARS-CoV-2-Genoms aus, die bis zum 27. April 2021 in internationalen Datenbanken gefunden wurden. Die neue T478K-Variante wurde in 11435 Proben nachgewiesen. Das ist doppelt so viele Proben, die noch einen Monat zuvor dieselbe Variante präsentierten. Ein solcher Anstieg seit Anfang 2021 alarmierte die Forscher.

Die “mexikanische Variante” verteilt sich gleichmäßig auf Männer und Frauen und Altersgruppen. Diese Variante stellt 52,8% aller sequenzierten Coronaviren in Mexiko dar, während sie in den USA nur in 2,7% der sequenzierten Proben vorkommt. Was Europa betrifft, so hat sich die „mexikanische Variante“ in Deutschland, Schweden und der Schweiz nur schwach verbreitet. In Italien ist es mit nur 4 gemeldeten Fällen praktisch nicht existent.

Die diese Variante charakterisierende Mutation befindet sich in einer Region des Spike-Proteins, die für die Interaktion mit dem menschlichen Rezeptor ACE2 verantwortlich ist: Dies ist der Mechanismus, der Coronaviren den Zugang zu den Zellen ermöglicht. Ähnliche Mutationen sind allen Varianten gemeinsam, die in den letzten Monaten im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit standen. Tatsächlich zeichnen sich die jüngsten Coronavirus-Varianten durch ihre hohen Infektionsraten aus, die sie in vielen Teilen der Welt verbreitet haben.

Forscher testeten die Wirkung des T478K-Spike-Proteins mit in silico Simulationen und fanden heraus, dass dieses mutierte Protein die oberflächliche elektrostatische Ladung verändern kann. Folglich kann es nicht nur die Interaktion mit dem humanen ACE2-Protein, sondern auch mit den Antikörpern des Immunsystems verändern und so die Wirksamkeit von Medikamenten behindern.

“Dank der großen Menge an Daten, die in internationalen Datenbanken verfügbar sind, können wir die Situation fast in Echtzeit kontrollieren, indem wir die Ausbreitung von Coronavirus-Varianten in verschiedenen geografischen Gebieten überwachen,” schlussfolgert Giorgi. “Die Fortsetzung dieser Bemühungen in den nächsten Monaten wird entscheidend sein, um schnell und mit effizienten Mitteln zu handeln.”

„Vorläufiger Bericht über die SARS-CoV-2 Spike-Mutation T478K“ lautet der Titel der im veröffentlichten Studie Zeitschrift für Medizinische Virologie. Die Autoren sind Simone di Giacomo, Daniele Mercatelli, Amir Rakhimov und Federico Giorgi, alle vom Institut für Pharmazie und Biotechnologie der Universität Bologna.

Referenz: “Vorläufiger Bericht über das schwere akute respiratorische Syndrom Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) Spike-Mutation T478K” von Simone Di Giacomo, Daniele Mercatelli, Amir Rakhimov und Federico M. Giorgi, 5. Mai 2021, Zeitschrift für Medizinische Virologie.
DOI: 10.1002/jmv.27062


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