Genombrott i förståelsen av ett protein som har en nyckelroll i flera cancerformer

Professor Gerhard Gröbner och forskningsingenjör Jörgen Åden i färd med att byta prov på SURF, en neutronreflektometer vid ISIS forskningsanläggning på Harwell i England.

BildTobias Sparrman

Förhöjd funktion hos det cellskyddande membranproteinet Bcl-2 kan främja cancer och orsaka resistens mot cancerbehandling. Att utveckla en förståelse för hur detta går till kan bana vägen för utveckling av läkemedel mot cancer.

Det kan verka kontraintuitivt, men celldöd är avgörande för den allmänna hälsan och hanteras av en serie proteiner från Bcl-2-familjen. Dessa proteiner arbetar tillsammans vid membranytan hos intracellulära organeller – mitokondrierna – för att bestämma cellens välbefinnande. Överproduktion av cellskyddande Bcl-2-medlemmar kan emellertid avbryta denna känsliga balans och hämma signaler för celldöd. Detta kan få cancerceller att fortsätta växa och inte svara på cancerbehandling.

Hur cellskyddande och celldödande proteiner i Bcl-2-familjen interagerar med varandra i deras intracellulära membranmiljö är dock inte helt utrett, eftersom en bild av deras struktur och beteende i denna miljö inte funnits tillgänglig.

Schematisk representation av två kompletterande biofysiska tillvägagångssätt för att belysa strukturell och positionell information för proteiner i deras membranmiljö.

BildGerhard Gröbner

European Spallation Source, ESS, är en internationell forskningsanläggning som för närvarande byggs i Lund och ska användas för materialforskning med hjälp av neutroner inom bland annat strukturkemi. Dr Hanna Wacklin-Knecht, ESS och Enheten för fysikalisk kemi vid Lunds universitet, har varit samarbetspartner i studien och bidragit med expertis för att optimera prover och experimentförhållanden samt även med produktionen av deutererade lipider i de fortsättningsstudier som senare utförts om Bcl-2:s funktion.I den aktuella studien använde forskarna en ny kombination av neutronreflektometri (NR) och NMR-spektroskopi för att studera humant Bcl-2-protein i sin fulla längd i membranmiljö, vilket gav insikt i de viktigaste strukturella och dynamiska funktionerna.

– Projektet med professor Gröbner är ett utmärkt exempel på hur nära samarbete med forskningsanläggningarna ESS och ISIS hjälper nya forskargrupper att utnyttja neutroner i sin banbrytande forskning och förbereder dem för att bli tidiga användare av ESS. Samarbetet möjliggjordes tack vare Vetenskapsrådets speciellt inriktade projektanslag för att främja neutronforskning i Sverige, säger Hanna Wacklin-Knecht, ESS Life Scientist.

NR-experimenten utfördes tillsammans med Dr Luke Clifton vid ISIS Neutron and Muon Source forskningsanläggning i Oxfordshire i England på ett av de ledande instrumenten i världen för denna typ av experiment. Dessa undersökningar gjorde det möjligt för Umeåforskarna att bestämma den relativa fördelningen av Bcl-2-protein över membranet. Resultaten visade att proteinet sitter i membranet snarare än på ytan, vilket man tidigare trott.

NMR-experimenten tittade på enskilda proteinsegment och deras beteende i membranet och indikerar att den del av proteinet som fungerar som en molekylär omkopplare ligger på eller nära membrangränssnittet. Den huvudsakliga proteinkroppen som blockerar celldödande partner är dock innesluten i membranet.

Gerhard Gröbner är professor på Kemiska institutionen vid Umeå universitet.

BildTobias Sparrman

– Vi har hittills upptäckt placeringen och beteendet för Bcl-2-proteinet i dess ursprungliga membran. Detta är ett genombrott, inte bara för att förstå den molekylära cellskyddsfunktionen hos Bcl-2, utan också dess ökända roll i cancer, vilket gör detta protein till primärt mål i jakten på nya cancerterapier, säger Gerhard Gröbner, professor på Kemiska Institutionen vid Umeå universitet.Forskarnas resultat innebär ett betydande genombrott i förståelsen för hur Bcl-2 utövar sin cellskyddande funktion på membrannivå genom att helt enkelt hämma celldödande proteiner där.

I framtida experimentella studier hoppas Gerhard Gröbner kunna ta reda på hur Bcl-2: s struktur och position i membranet är relaterad till det sätt som det leder till celldöd.

– Tillsammans planerar vi nu att avbilda det aktiva tillståndet för Bcl-2-protein just när det binder celldödande proteiner vid membranet.

Studien har fått stöd av Vetenskapsrådet (2017-2020).

Om den vetenskapliga studien:

A. U. Mushtaq, J. Ådén , L. A. Clifton , H. Wacklin-Knecht , M. Campana , A. P. G. Dingeldein, C. Persson, T. Sparrman, and G. Gröbner: Neutron reflectometry and NMR spectroscopy of full length Bcl-2 protein reveal its membrane localization and conformation. Nature Communications Biology 4, 507 (2021).

https://doi.org/10.1038/s42003-021-02032-1