Meine Doktorarbeit über die Schlafen Protein Familie

Während meiner Doktorarbeit kristallisierte sich heraus, dass ich nicht nur Forschung betreiben möchte, sondern auch von dieser berichten. Der Klartext Preis bietet Doktorandinnen und Doktoranden eine tolle Möglichkeit zu üben die eigene Forschung klar und verständlich Laien zu präsentieren. 2019 habe ich mit dem folgenden Text beim Klartext Preis teilgenommen.

 

Gebastelter Doktorhut und gebundene Doktorarbeit
Meine Doktorarbeit „The Schlafen Core Domain: From Structure to Function“ und mein Doktorhut, den meine Kolleginnen und Kollegen für mich gebastelt hatten.

 

 

Schlafen gegen Krebs und HIV

 

Wie eine neue Kristallstruktur der Schlafen Proteine Hinweise auf die biochemische Funktion gibt.

 

Lisi mit Doktorhut
Nach der bestandenen Doktorprüfung bekam ich diesen großartigen Hut, den meine Kolleginnen und Kollegen für mich gebastelt hatten, verliehen.

Auf die beliebte Frage womit ich mich als Biochemikerin in meiner Doktorarbeit beschäftige, liebte ich es keck zu antworten: „Mit Schlafen!“

Jedoch arbeite ich weder in einem Schlaflabor noch halte ich einen 4-jährigen Dornröschenschlaf, sondern erforsche die Schlafen Protein Familie. Da die Schlafen Familienmitglieder die Fähigkeit besitzen die Vermehrung von Körperzellen anzuhalten- quasi die Zellen zum Schlafen zu bewegen- wurden sie auch so getauft. Neben der Rolle des Sandmännchens, sind die Schlafen Proteine auch wichtig im Immunsystem, bei der Bekämpfung von HIV (human immunodeficiency virus) und Krebs.

Krebs ist hinter den Herz- und Kreislauf-Erkrankungen die zweithäufigste Todesursache in Deutschland. Hierbei wachsen Körperzellen unkontrolliert und verdrängen oder zerstören gesunde Zellen. Für viele Tumorarten gibt es noch keine effektive Therapie oder Patienten erleiden einige Zeit nach der Genesung einen Rückfall. Einige Schlafen Proteine wirken maßgeblich der Ausbreitung von Krebszellen entgegen. Menschliche Krebszellen, die Schlafen 5 nicht mehr produzieren können, entwickeln ein aggressiveres Verhalten hinsichtlich Vermehrung und Fortpflanzung. Krebszellen, die Schlafen 5 in normalen Mengen innehaben verbreiten sich hingegen langsamer.

Neben Krebs ist AIDS (Acquired Immune Deficiency Syndrome), welches durch HIV hervorgerufen wird, ebenfalls noch nicht heilbar. Es gibt allerdings ein Schlafen Protein, nämlich menschliches Schlafen 11, welches die Ausbreitung von HIV im Körper verhindern kann. Wird ein Mensch von HIV befallen, nutzt das Virus normalerweise die Zellmaschinerie des Menschen aus, um sich durch die Herstellung neuer viraler Partikel zu vermehren. Ist Schlafen 11 im Überfluss vorhanden, kann es dieser Manipulation entgegenwirken und das Virus an der Ausbreitung hindern.

Weiterhin spielen die Schlafen Proteine eine wichtige Rolle in der Entwicklung und Reifung der sogenannten T Zellen des Immunsystems. T Zellen sind in Säugetieren wichtig für die Erkennung und Abwehr von Krankheitserreger. Es gibt zum Beispiel gendefekte Mäuse, die eine Mutation im Schlafen 2 Gen tragen, und somit keine T Zellen mehr besitzen. Dies macht die kranken Mäuse sehr anfällig für Krankheitserreger und das Immunsystem wird entscheidend geschädigt.

Klingt das nicht wunderbar? Schlafen für ein stärkeres Immunsystem und eine neue Wunderwaffe gegen Krebs und HIV?

Um sich die Eigenschaften der Proteine zunutze zu machen und maßgeschneiderte Schlafen-Medikamente zu entwickeln, ist es jedoch entscheidend die genaue Struktur und Funktionsweise der Schlafen Proteine zu kennen.

Meine Kollegen und ich haben uns deswegen gefragt: „Wie sind die Schlafen Proteine aufgebaut und wie sind die einzelnen Atome im dreidimensionalen Raum angeordnet? Was für eine biochemische Funktion haben sie im Körper?“

Schlafen 5 Kristalle
Schlafen 5 Kristalle. Nachdem ich Schlafen 5 isoliert hatte, gelang es mir Kristalle zu gewinnen.

Als Strukturbiologen wollten wir die Schlafen Proteine strukturell und auch biochemisch unter die Lupe nehmen. Aufgrund der kleinen Größe der Schlafen Proteine reicht dafür eine Lupe oder sogar schon ein herkömmliches Lichtmikroskop allerdings nicht mehr aus. Da braucht es schon ein hochauflösendes Elektronenmikroskop oder eine andere Technik, wie zum Beispiel die Röntgenstrukturkristallographie. Letztere haben wir angewendet. Hierfür mussten wir die Schlafen Proteine zuerst in ausreichenden Mengen isolieren und kristallisieren.

Jeder kennt das Phänomen, dass sich im Winter aus Wasser Eiskristalle bilden oder eine Salzkruste zurückbleibt, wenn Salzwasser eintrocknet. So ähnlich kann man sich die Kristallisation der Schlafen Proteine vorstellen. Hier verwendet man allerdings Lösungen mit definiertem Salzgehalt und exakt eingestelltem pH-Wert, um die Schlafen Proteine gezielt in eine Kristallform zu überführen. Im Umgang mit Proteinkristallen ist auch Fingerspitzengefühl gefragt, da sie um einiges fragiler und empfindlicher sind als Salzkristalle.

Sobald man die Kristalle aus dem Kristallisationscocktail fischt, werden sie in flüssig Stickstoff bei ungefähr -210°C schockgefroren. Anschließend werden die Kristalle mit hochenergetischen Röntgenstrahlen beschossen. Aus dem daraus resultierenden Beugungsmuster konnten wir unter Anwendung komplexer mathematischer Berechnungen die Elektronendichte der Proteine berechnen. Wie in einem Puzzle bauten wir anschließend die einzelnen Atome der Schlafen Proteine in die berechnete Elektronendichte, welche am Computer in speziellen Programmen als blaue Wolken dargestellt werden. Je besser der Proteinkristall die Röntgenstrahlen streut, desto schärfer und definierter sehen die Wolken aus und umso leichter fiel es uns die Wolken mit Atomen zu füllen.

Schlafen 5 Kristalle
Schlafen 2 Kristalle. Um die Schlafen 2 Kristalle zu züchten musste ich einen Puffer mit einem anderen Salzgehalt und pH-Wert einsetzen.

Obwohl die Schlafen Proteine so unterschiedliche Rollen spielen, besitzen alle eine verwandte Domäne. Uns ist es gelungen mittels der Röntgenstrukturkristallographie die atomare Struktur dieser Domäne zu lösen. Die Schlafen Proteine zeigen aufgrund ihres hohen Verwandtschaftsgrad zueinander einen ähnlichen Grundaufbau. Bei Proteinen spricht man auch von der Proteinfaltung. Die Schlafen Struktur hat in etwa die Form eines Hufeisens und ist circa 6 nm lang und 4 nm breit, das heißt sie ist ungefähr 3 250 000-mal kleiner als eine 1-Cent Münze.
Überraschenderweise wurden bisher noch keine anderen Proteine entdeckt, die Ähnlichkeiten mit den Schlafen Proteinen haben. Wir hatten eine neue Proteinfaltung entdeckt und beschrieben.

Zuerst untersuchten wir die Stelle in Maus-Schlafen 2, an der Forscher die Mutation in der kranken und immungeschwächten Maus entdeckt hatten. Wir entdeckten die besagte Stelle tief begraben an einer Seite des Hufeisens. Mäuse mit einem intakten Schlafen 2 Protein tragen an dieser Stelle eine Aminosäure namens Isoleucin. Aufgrund der Struktur seiner Seitenketten besitzt Isoleucin hydrophobe, also wasserabweisende, Eigenschaften. In der Schlafen 2 Kristallstruktur sehen wir in der Tat, dass das besagte Isoleucin von vielen anderen wasserabweisenden Aminosäuren umgeben ist und einen hydrophoben Kern im Protein bildet. In den kranken Mäusen wiederrum ist an dieser Stelle die Aminosäure Asparagin eingebaut, welches polare Eigenschaften hat und deswegen eine hydrophile, also wässrige Umgebung, bevorzugt. Der Austausch der wasserabweisenden zu der wasserliebenden Seitenkette hat zufolge, dass der hydrophobe Kern zerstört wird und dieser wie ein Kartenhaus in sich zusammenfällt. Dem zufolge verklumpt das Schlafen2 in der Maus und funktioniert nicht mehr richtig. Hier konnten wir sehr schön anhand der Struktur ableiten, was wohl im Organismus der gendefekten Maus vor sich geht.

In den Kristallstrukturen der Schlafen Proteine entdeckten wir außerdem, dass alle Schlafen Proteine ein Zink-Ion gebunden haben. Die Aminosäuren, die das Zink koordinieren, kommen in allen Schlafen Proteinen vor. Das heißt, dass vermutlich alle Schlafen Familienmitglieder diesen sogenannten Zink-Finger besitzen.

strukturmodel von Schlafen 5
Struktur der ersten 336 Aminosäuren von Schlafen 5. Die verschiedenen Bereiche sind in unterschiedlichen Farben markiert. Schlafen 5 hat eine Hufeisenform. Alle Schlafen Proteine besitzen den Zink-Finger. In dem Ausschnit des Zink-Fingers ist zusätzlich die Elektronendichte eingeblendet.

Zink-Finger Proteine sind dafür bekannt, dass sie DNS (Desoxyribonukleinsäure), also die Erbinformation der Menschen, binden. Daher haben wir die Bindung der Schlafen Proteine an DNS und der chemisch verwandten RNS (Ribonukleinsäure) getestet. Und in der Tat binden die Schlafen Proteine an die obigen Nukleinsäuren.

Anhand der Struktur konnten wir die Aminosäuren im Schlafen 5 identifizieren, die bei der Bindung an DNS eine Rolle spielen. Wenn wir diese Aminosäuren im Schlafen 5 chemisch verändern, konnte Schlafen 5 nicht mehr an DNS binden.

Zusammenfassend haben wir eine neue Proteinfaltung, nämlich die der Schlafen Proteine entdeckt, und außerdem anhand der Struktur die Regionen entdeckt, die für die Bindung an DNS wichtig sind.

Schlafen 5 Oberfläche
Die blauen Bereiche im Schlafen 5 sind positiv geladen, während die roten Bereiche negativ geladen sind. Wir konnten herausfinden, dass die zwei Aminosäuren Arginine (R271 und R326) vermutlich an der DNS Bindung beteiligt sind.

Denkbar wäre es, dass die Schlafen Proteine an die DNS binden und gezielt die Gene blockieren, die für das Wachstum und der Beweglichkeit der Zellen verantwortlich sind. Durch eine Überproduktion von Schlafen 5 könnten die Krebszellen somit an der Ausbreitung verhindert werden.
Und was ist nun mit der Schlafen-Wunderwaffe gegen Krebs und HIV? Die muss leider noch ein bisschen warten. Wir haben den ersten Schritt in Richtung der Charakterisierung der Schlafen Proteine begonnen und die Struktur der Schlafen Proteine herausgefunden. Trotzdem muss noch mehr Grundlagenforschung betrieben werden, um diese vielseitige Proteinfamilie umfassend zu beschreiben und vielleicht wird in einigen Jahren diese Wunderwaffe Realität.

Hier findet ihr meine Fachpublikation in Nucleic Acid Research.

Überschrift Publikation Nucleic Acid Research
Meine Publikation in der Fachzeitung „Nucleic Acid Research“.

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Ich bin Lisi!

Willkommen auf meinem Blog Insulin and more – Geschichten über Insulin und mehr!

Ich bin Biochemikerin, Studienkoordinatorin und Wissenschaftskommunikatorin. In diesem Blog vereine ich zwei Herzensthemen von mir: (Typ 1) Diabetes und Strukturbiologie. So gehe ich zahlreichen Aspekten rund um die Erkrankung Diabetes wissenschaftlich geprüft auf den Grund und veranschauliche sie mit Proteinstrukturen.  Dieser Blog ist für Menschen mit Diabetes und alle Interessierte!

Viel Spaß beim Lesen!

LISI

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