Hvad de mekaniske kræfter bag proteinfoldning kan fortælle os om metastatisk cancer

Talin er et protein, der styrer cellulær tilknytning og bevægelse, men dets funktionsfejl tillader også kræftceller at sprede sig. DCL1 er et tumor-undertrykkende protein. Men videnskabsmænd forstår ikke helt, hvordan hverken protein virker - eller hvad der sker, når de ikke virker, som de burde.

Én ting ved forskerne:Når det er til stede i en celle, kan DCL1 interagere med talin og måske forstyrre talins evne til at gruppere celler sammen. Hvis videnskabsmænd kendte de nøjagtige trin i processen, vil de muligvis være i stand til at identificere en behandlingsmulighed for at forhindre kræft i at sprede sig.

For at finde svar brugte et team af forskere fra University of Wisconsin-Milwaukee et unikt værktøj, som de byggede til at anvende de nøjagtige mekaniske kræfter, der virker på talin i kroppen, og påbegyndte en proces kaldet proteinudfoldelse, som er nødvendig for at proteinet kan udføre dens funktion.

Med værktøjet, kaldet "single molecule magnetic pincet", målte forskerne intracellulære mekaniske kræfter og eksperimenterede med dem i laboratoriet, så de kan finde, hvad der sker med talin, når DCL1 både er til stede og ikke er til stede i cellen.

De har opdaget en unik adfærd af talin, induceret af mekaniske kræfter, som demonstrerer en stærk interaktion, der kan forklare antitumoreffekten af ​​DLC1, når de to proteiner bindes.

"Vi ved stadig ikke præcist, hvad der går galt med talinfunktion, når kræftceller metastaserer," sagde Ionel Popa, en fysikprofessor i UWM, der ledede holdet. "Men det ser ud til, at talin spiller en rolle i at aktivere spredningen af ​​celler, når den tumor-undertrykkende DCL1 mangler. Og når DCL1 binder til talin, ser den ud til at blokere talin i at aktivere cellespredning."

Værket er offentliggjort i dag i tidsskriftet Science Advances .

Som alle proteiner danner talin en specifik tredimensionel form, der definerer dens funktion. Kendt som proteinfoldning er det en af ​​de mest komplekse processer i naturen, og når foldning går skævt, fører det ofte til sygdom. Popas laboratorium undersøger kræfter, der påvirker proteinfoldning, hvilket kan føre til nye behandlinger for sygdomme, der starter, når proteiner folder forkert.

For nogle proteiner, herunder talin, er mekaniske kræfter i og uden for cellen nødvendige for at proteinet kan opnå den form, der låser dets funktion op. Inde i cellerne får mekaniske kræfter talin til at udfolde sig og afslører receptorer, hvor andre proteiner kan binde sig til at danne nødvendige meddelelsesforbindelser.

"Processen er som en mekanisk computer, fordi den beregner, hvor meget kraft der skal til for at alle forbindelser kan ske," sagde Popa. "Disse kræfter fortæller cellen, hvad der foregår omkring den."

Cellen producerer forskellige ligander, som omdanner mekaniske kræfter til kemiske signaler, når de binder til et protein. Og den mekaniske finjustering af disse ligander, inklusive DCL1, er det, der gjorde forskerne så interesserede i talin til at begynde med.

Placeringen eller domænet, hvor DCL1 binder til talin, har det højeste antal ligander tilgængelige blandt alle bindingsstationer på proteinet. Faktisk foregår meddelelser både i og uden for cellen, da ligander hjælper med at orkestrere opgaven. Korrelation og måling af foldningens kraftmekanisme har gjort det muligt for forskerne at studere denne proces mere detaljeret.

Hvordan pincetten kan 'se'

Forskere vidste allerede, at DCL1 kun binder til ét bestemt domæne på talinproteinet. UWM-forskerne afslørede, hvordan:Talen udfolder sig og refolder sig som reaktion på en påført kraft og danner en struktur, hvor DCL1 binder næsten irreversibelt.

"Vi indsamlede data fra talin-molekylet, mens det foldede sig ud og foldede sig igen, og tilføjede derefter DCL1 for at se, hvordan det ændrede sig," sagde Popa. "Tidligere forskning indikerede en svag interaktion, hvilket tyder på, at det sandsynligvis ikke er drivkraften bag DCL1's suppressorevner. Men da vi testede det, fandt vi det modsatte - det resulterende molekyle bliver superstabilt."

Den magnetiske pincet gjorde det muligt for forskerne at foretage målinger på et proteinmolekyle på kun få nanometer i størrelse. Efter at have bundet den mellem en glasoverflade og en paramagnetisk perle måler forskerne positionen af ​​den paramagnetiske perle i en frit bevægelig ende af molekylet og positionen af ​​en ikke-magnetisk perle, limet til den samme overflade som den modsatte ende af proteinet. Derefter påfører de en magnetisk kraft, replikerer de nøjagtige mekaniske forstyrrelser, der udøves på et protein i kroppen, og måler dets udfoldning og genfoldning for at forstå, hvordan dets struktur ændrer sig.

Med den magnetiske pincet kan forskerne undersøge effekten af ​​disse kræfter over dage frem for minutter, svarende til deres tidslinjer i kroppen.

Hmoners rolle

Aktiveringen af ​​talin under cellespredning og vævsopbygning styres af hormoner. I denne fase gennemgår proteinet cyklusser af strækning og binding med andre proteiner. Mekaniske kræfter kommer i spil, efterhånden som flere proteiner slutter sig til processen.

For at talin kan aktiveres, skal den bringes til cellemembranen af ​​budbringere, der signalerer fra cellecytoskelettet til den ekstracellulære matrix, det omgivende miljø, som cellerne er indlejret i.

Popas team sporede effekten af ​​DCL1 i denne proces.

"Under denne hormondrevne 'indefra-ud'-aktivering, hvis DLC1 også binder til talin, vil det ikke tillade den rekruttering til membranen," sagde han. "Ethvert af de trin, der kontrollerer cellespredning, kan blive udsat af kræftceller for at blive metastaserende. I nogle tilfælde er DLC1 fuldstændig undertrykt."

Manglende eller funktionsfejl DCL1 er muligvis ikke den eneste faktor i kræftspredning, sagde Popa. Men arbejdet illustrerer den alternative adfærd af proteiner under magt og peger på en retning for yderligere undersøgelse af denne proteininteraktion som et potentielt mål for kræftmedicin.