Fra atomet til naturlig dræbercelle:Historien om en uventet proteinstruktur

Opdagelsen af ​​en ejendommelig proteinstruktur og søgen efter at bekræfte den har ført til beskrivelsen af ​​interagerende receptorklynger på naturlige dræberceller (NK). Undersøgelsen udført af forskerholdet af Dr. Ondřej Vaněk fra Institut for Biokemi, Det Naturvidenskabelige Fakultet, Charles University og hans kolleger fra Institut for Bioteknologi ved Det Tjekkiske Videnskabsakademi i centret BIOCEV blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

Laboratory of Structural Biochemistry of Immune Recognition, ledet af Dr. Ondřej Vaněk, producerede en spændende historie. Det hele startede for et par år siden med at observere en uventet proteinstruktur af en receptor og endte med en detaljeret beskrivelse af specifikke strukturer og interaktioner i immunsystemet.

"Vi er interesserede i, hvordan immunsystemets celler genkender, om andre celler i vores krop er sunde eller usunde," forklarer Dr. Vaněk. Hans forskerhold fokuserer primært på NK-celler, som er en del af medfødt immunitet, og hvis de fornemmer, at en anden celle i kroppen ikke er sund, kan de hurtigt fjerne det. Strukturel immunologi søger her at opdage, hvordan receptorer på overfladen af ​​immunceller genkender proteiner (eller andre strukturer) på overfladen af ​​en anden celle. "Disse proteiner fortæller NK-cellen, om alt er godt eller ej. Det, der ender med at ske, er ikke kun interaktionen mellem to proteiner, men det er samspillet mellem en række interaktioner, og i sidste ende vil enten et hæmmende eller et aktiverende signal sejre, " forklarer Dr. Vaněk.

Den netop offentliggjorte undersøgelse fokuserer på to proteiner og deres interaktion. En af dem er en receptor på NK-celler, kaldet NKR-P1. Denne receptor er interessant, fordi den tjener som en af ​​de vigtigste overflademarkører, hvormed NK-celler kan defineres, selvom dens struktur har været ukendt indtil nu. NKR-P1-receptoren findes også på overfladen af ​​nogle specifikke subpopulationer af T-lymfocytter, som er impliceret i adskillige autoimmune sygdomme. I denne sammenhæng er dens virkning dog endnu ikke velkarakteriseret, idet den sandsynligvis skifter fra rent hæmmende til costimulerende og dermed bidrager til udviklingen af ​​disse sygdomme.

Det andet protein, undersøgelsen fokuserer på, er liganden af ​​NKR-P1-receptoren, proteinet kaldet LLT1. Dette protein findes normalt på andre celler i immunsystemet, og som Dr. Vaněk beskriver:"Når celler interagerer og rører hinandens overflade, får det dem til at sige, at de kender til hinanden, og alt er fint." De sidste femten års forskning har dog vist, at LLT1-proteinet i mange tilfælde af kræft udtrykkes på overfladen af ​​kræftceller, hvor det tjener til at hæmme immunresponset. Dr. Vaněk tilføjer:"Desværre, jo værre tumortypen er, jo højere overfladeekspression af LLT1-protein." Han og hans kolleger var de første til at beskrive strukturen af ​​LLT1 i 2015.

Dette papir beskriver de to proteiner og deres interaktion på mange niveauer, fra atomstrukturen til celleniveau. Forskerholdet producerede først proteinerne, krystalliserede dem og løste strukturen af ​​deres kompleks.

"Resultatet var ret uventet og interessant. Man spekulerer i det øjeblik, om dette blot er en artefakt af krystallen, eller om en sådan struktur virkelig eksisterer på celleoverfladen," bemærker Dr. Vaněk. Det næste ret komplekse trin i forskningen var superopløsningsmikroskopi, og de følgende faser af undersøgelsen blev udført på celleoverfladen og levende NK-celler isoleret fra donorblod. Ved at kombinere flere metoder bekræftede forskerholdet tidligere observationer i krystalstrukturen af ​​komplekset af begge proteiner og beskrev de resulterende funktionelle konsekvenser - under hvilke betingelser NKR-P1- og LLT1-proteinerne skal opfylde for at producere et hæmmende signal.

Både NKR-P1-receptoren og dens ligand LLT1 er homodimerer, dvs. de danner altid par af to identiske kæder på celleoverfladen, forbundet med disulfidbindinger. Hidtil har tanken været, at når de to proteiner interagerer, binder en dimer af receptoren en dimer af liganden. Men takket være krystalstrukturen af ​​NKR-P1-komplekset med LLT1 ved vi, at dette ikke er sandt:Halvdelen af ​​receptordimeren interagerer med halvdelen af ​​liganddimeren, hvilket tillader dannelsen af ​​bindende klynger af disse molekyler på overfladen af NK-cellen, når den interagerer med målcellen.

Det tog flere års forskning at teste denne hypotese fra atom- til celleniveau. Affiniteten af ​​de undersøgte proteiner er meget svag, og det er kun gennem clustering, at den bliver stærk nok til, at NK-cellen kan mærke det hæmmende signal. Nødvendigheden af, at flere molekyler mødes, er således en slags evolutionær beskyttelse mod unødvendige eller falske stimuli, og takket være det nye studie kan vi se præcis, hvordan denne interaktion fungerer på det strukturelle niveau. Dette kan hjælpe med at designe terapeutiske proteiner, der ønskeligt kunne påvirke interaktionen mellem immunsystemet og kræftceller.

Undersøgelsen blev udført af Dr. Ondřej Vaněks team ved Det Naturvidenskabelige Fakultet ved Charles University i samarbejde med teamet af Dr. Jan Dohnálek ​​fra Institut for Bioteknologi ved Det Tjekkiske Videnskabsakademi (BIOCEV), som primært var involveret i strukturelle analyser. To forskere fra University of Oxford bidrog også væsentligt til forskningen, idet de udførte krystallisations- og røntgendiffraktionsmålinger.

"Flere generationer af studerende fra vores laboratorium har været involveret i denne undersøgelse, og førsteforfatteren, Jan Bláha, lavede sin ph.d.-grad om denne forskning. Efterhånden lærte vi flere og flere metoder, og de studerende avancerede meget. Nogle af dem arbejder nu på nogle af de bedste europæiske forskningsinstitutter," forklarer Dr. Vaněk.

Jan Bláha, den første forfatter til undersøgelsen og nu postdoc ved EMBL Hamburg, siger:"Det mest interessante for mig, mens jeg arbejdede på dette projekt, var at opdage ny indsigt i relativt almindelige data, der førte os til mere komplekse eksperimenter. Jeg lærte ikke at være bange for at følge mine egne skøre ideer, så længe de er baseret på data. Jeg har forstået, at mange af verdens eksperter kun er mennesker, og de mest lidenskabelige er legesyge og villige til at hjælpe med enhver skør videnskabelig ide." + Udforsk yderligere

Immunsystem:Første billede af antigenbundet T-cellereceptor ved atomopløsning