Den mTOR-Pfad strukturell beschreiben
Zellwachstum und Proliferation sind fundamentale Prozesse, die über komplexe Netze von Signalwegen, welche auf Umweltreize reagieren, genau gesteuert werden. Das mechanistische Serin/Threoninkinaseziel des Rapamycin (mTOR)-Pfads ist ein zentraler Nährstoff- sowie energiesensibler Pfad, der auf den intrazellulären Energiezustand reagiert. Über Komplexe mit mehreren Untereinheiten nimmt mTOR den Aminosäure- und Sauerstoffgehalt innerhalb der Zelle wahr und integriert extrazelluläre Signale, um die Zellgröße und Proliferation zu steuern. mTOR reagiert ferner auf Wachstumsfaktoren zur Regulierung des Zellüberlebens und der zytoskelettalen Organisation. Die Regulierung des mTOR-Pfads steht in Zusammenhang mit menschlichen Erkrankungen wie Fettleibigkeit, Diabetes und Krebs. Auch wenn verschiedene Aspekte des Pfades verstanden werden, verhindert ein Mangel hochauflösender Strukturen ein umfassendes Verständnis des Aufbaus, der Funktion und der Regulation des Proteinkomplexes. In diesem Zusammenhang wurde das EU-finanzierte Projekt MTOR_COMPLEXES (Structural and biophysical characterization of the human mTOR kinase and its signaling complexes) eingerichtet, um strukturelle Informationen zu mTORC1- und mTORC2-Signalkomplexen zu gewinnen. Um dies zu erreichen, wandten Forscher ein Baculovirus-Multigenexpressionssystem an, damit die verschiedenen mTORC-Komponenten hergestellt werden könnten. Es wurde intensiv an der Optimierung der Expressions- und Reinigungsbedingungen gearbeitet. Hierfür testeten Wissenschaftler verschiedene Affinitätsreinigungsharze und Größenausschlusschromotagraphiemethoden. Das gereinigte mTORC1 war katalytisch aktiv und wurde einer biophysikalischen Beschreibung durch statische Lichtstreuung unterzogen. Um mit der präzisen Strukturbeschreibung fortzufahren, wandten Wissenschaftler einen Ansatz an, der Cross-Linking-Massenspektrometrie mit negativer Färbung und Kryoelektronenmikroskopie kombiniert. Die Resultate bestätigen die Dimer-Beschaffenheit von mTORC1 und offenbarten eine Kopf-zu-Fuß-Anordnung der beiden Komponenten. Über die MTOR_COMPLEXES-Untersuchung wurde erfolgreich ein Prozess für die Generierung des kompletten Aufbaus des mTOR-Komplexes eingerichtet. Dies ist eine wichtige Voraussetzung, um in Zukunft eine erfolgreiche Strukturbestimmung bei einer höheren Auflösung zu erreichen. In Anbetracht des Stellenwerts des mTOR-Pfads bei menschlichen Erkrankungen sind derartige strukturelle Informationen von essenzieller Bedeutung für Arzneimittelentwurfsstrategien.
Schlüsselbegriffe
mTOR-Pfad, Proteinkomplex, strukturelle Beschreibung, Arzneimittelentwurf, Baculovirus
