Kristallstruktur des Mukoviszidoseproteins – der Heilige Gral der Molekulargenetik
Mukoviszidose manifestiert sich durch Schleimakkumulation im Atemwegs- und Verdauungssystem des Patienten. Ursache ist ein Defekt im ZFTR-Protein (Transmembrankonduktanzregulator der zystischen Fibrose), und die Schleimblockade führt zu Symptomen wie Lungenentzündung und Darmverschluss. Medikamente sind allerdings noch immer teuer – so schlägt das vom Pharmaunternehmen Vertex Pharmaceuticals vertriebene Kalydeco für den Patienten mit 300 000 USD pro Jahr zu Buche. Aufgrund niedriger Lebensqualität und früher Sterblichkeit sind daher dringend neue Therapien gefragt. Suche nach neuen Therapien mittels hochauflösender Strukturanalyse des ZFTR-Proteins „Ultimatives Ziel des Projekts CF_struct war die Entwicklung wirksamerer Medikamente, um die Lebensqualität zu erhöhen und Behandlungskosten zu senken“, umreißt die Marie-Curie-Forschungsstipendiatin Dr. Susan Fetics. Ein Medikament wirkt am besten, wenn es effizient an sein Zielprotein bindet, in diesem Fall an das defekte ZFTR-Protein, um dessen Struktur und Funktion wiederherzustellen. Das so genannte Gating (Steuerung der Durchlässigkeit von Kanälen) spielt hierbei eine entscheidende Rolle. So besitzt das ZFTR-Protein eine Pore, die sich öffnet und geladene Chloridionen durch den Kanal passieren lässt. Mutationsbedingte Defekte im ZFTR behindern allerdings die ordnungsgemäße Steuerung dieser Chloridkanäle, was zur Akkumulation von Schleim im Körper und der chronischen ZF-Symptomatik führt. ZFTR – schwierige Suche nach der Kristallstruktur „Vor Beginn des Projekts CF_struct standen noch keine hochauflösenden Strukturen von ZFTR zur Verfügung, sodass wir den Schwerpunkt auf die Röntgenkristallographie legten“, erklärt Projektkoordinator Prof. Martin Caffrey. Trotz größter Anstrengungen, das Protein zu erzeugen und Zehntausende verschiedener Kristallisationsbedingungen zu analysieren, gelang es nicht, die Kristallstruktur von ZFTR nachzubilden. „Wir haben es leider nicht geschafft, im Rahmen der Marie-Curie-Förderung aussagefähige Kristallstrukturen des isolierten oder mit Kalydeco behandelten ZFTR zu erzeugen“, rekapituliert Prof. Caffrey. Im Verlauf von CF_struct wurden allerdings andere strukturelle Analyseergebnisse für ZFTR erzielt. Zunächst lieferte kryogene Elektronenmikroskopie (CryoEM) des Zebrafisch-ZFTR Einblicke in dessen Aktivierungsmodus und auch Details über zwei weitere Strukturen. „Zusammen geben diese drei Modelle detailliert Aufschluss über den Steuerungsmechanismus des ZFTR-Kanals“, betont Dr. Fetics. „Dann suchten wir nach Kristallstrukturen, die die CryoEM-Forschungen ergänzen und erweitern“, sagt sie. Die Ziele sind kristallklar Wie Dr. Fetics weiter ausführt, „gelang es uns, entsprechend eines Protokolls aus dem Labor von Prof. Riordans an der University of North Carolina, Vereinigte Staaten, das ZFTR des Huhns zu erzeugen. „Dies war zusammen mit den Protokollen für die Reinigung humaner ZFTR von Prof. Kappes an der University of Alabama die Basis für sehr breit angelegte Kristallisationsversuche. Gereinigtes ZFTR-Protein ist instabil und die Konzentration sehr aufwändig. „Die schrittweise Erhöhung der Proteinkonzentration als Voraussetzung für Kristallisationsversuche erreichten wir mit der Cubicon-Methode“, erklärt Prof. Caffrey. Gleichzeitig wurde die Proteinmenge für jeden Kristallisationsversuch reduziert, um das verfügbare Material nicht zu verschwenden. Zur Zukunft der Mukoviszidose-Therapie Die durch das Marie-Curie-Programm geförderte Studie am Trinity College illustriert beispielhaft, dass in der wissenschaftlichen Forschung Findigkeit und Beharrlichkeit der Schlüssel zum Erfolg sind, wenn es um die schwierige Analyse von Biomolekülen geht, deren Verhalten sich den Erwartungen entzieht. So hat die Wissenschaftlergruppe von CF_struct noch keine konkreten Vorstellungen zur Analyse der Kristallstruktur, lieferte aber der Forschung neue Ansätze zur weiteren Erforschung dieser schweren Krankheit. Prof. Caffrey und Dr. Fetics betonen, wie wichtig die Arbeit am Trinity College war: „Weltweit sind fast 100 000 Menschen von Mukoviszidose betroffen. Die Klärung der Kristallstruktur könnte weltweit sozioökonomische Kosten für die Behandlung der Krankheit senken, die Lebenserwartung und Lebensqualität steigern sowie Pflegekräfte entlasten.“
Schlüsselbegriffe
CF_struct, ZF, ZFTR, Kristall, Wirkstoff, Kristallstruktur, CryoEM, Mukoviszidose, Röntgen, Gating, Chlorid, Modell