Nytt kemiskt verktyg för att förstå omformning av membran i cellen

I en studie publicerad i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften PNAS beskriver Umeåforskare en naturlig produktliknande molekyl, Tantalosin, som hämmar interaktion mellan två proteiner i ett komplex som omformar membran inuti cellen. Fynden leder till en djupare förståelse för hur membranombyggnad fungerar i mänskliga celler och framtida utveckling av nya läkemedel.

– Vår studie är ett bra "case" för att använda små molekyler som värdefulla kemiska verktyg för att förstå komplexa biologiska mekanismer. Jag är glad att få koordinera ett fantastiskt samarbete med kollegor i Umeå, Stockholm och Tyskland, säger Yaowen Wu, professor på Kemiska institutionen vid Umeå universitet.

Cellmembran är gjorda av lipider och proteiner, och de utgör barriärfunktioner för celler och intracellulära organeller. Cellmembran är mycket dynamiska mosaik-vätskestrukturer som genomgår konstant omformning. Det endosomala sorteringskomplexet som krävs för transport (ESCRT) har till uppgift att omforma membran inuti cellen. ESCRT-maskineriet samlas på platsen i cellen där membran behöver omformas och bildar sedan spiralformade proteinpolymerer som kan dra ihop sig och klämma av cellmembranen.

Tidigare har professor Yaowen Wu och hans grupp, i samarbete med professor Herbert Waldmanns laboratorium vid Max Planck-institutet Dortmund i Tyskland, identifierat en kemisk molekyl, Tantalosin, som inducerar en fenotyp lik autofagi – en självätande process i cellen. Tantalosin är en syntetisk molekyl inspirerad av alkaloider från medicinväxten Cinchona. De observerade ett mycket intressant fenomen i celler som behandlades med Tantalosin och undersökte vidare den molekylära mekanismen för hur Tantalosin fungerar i cellen.

I samarbete med plattformen för kemisk proteomik på SciLifeLab vid Karolinska Institutet testade teamet potentiella cellulära mål för Tantalosin.

– Till vår förvåning fann vi att inget av de autofagirelaterade proteinerna fanns på listan över potentiella mål. Emellertid identifierade vi och validerade IST1-protein i ESCRT-komplex som det cellulära målet för Tantalosin. Vi blev glada över att kunna dechiffrera denna oväntade koppling mellan ESCRT-komplex och autofagi, säger förstaförfattare Anastasia Knyazeva, som nyligen tog sin doktorsexamen på Kemiska institutionen vid Umeå universitet.

Forskarna karakteriserade mekanismen med hjälp av en rad biokemiska och cellbiologiska metoder. När de studerade protein-proteininteraktion i lösning fann de att Tantalosin helt stoppar interaktionen mellan IST1 och dess bindningspartner CHMP1B.

– Vi tittade sedan närmare på dessa två proteiner med hjälp av ett transmissionselektronmikroskop i samarbete med Kasturika Shankar, doktorand från Lars-Anders Carlson lab vid Umeå universitet. Intressant nog stör Tantalosin bildandet av ordnade IST1-CHMP1B filament”, förklarar Shuang Li, co-förstaförfattare och postdoktor på Kemiska institutionen vid Umeå universitet.

Vidare tittade forskarna in i cellen och fann att Tantalosin snabbt stör återvinningen av cellytans receptorer tillbaka till cellytan. Denna egenskap kan vara potentiellt fördelaktig för behandling av vissa typer av cancer som drivs av cellytereceptorer.

I den här studien fann forskarna att LC3-protein, som vanligtvis är ett kännetecken för autofagi, är kopplat till de endosomala membranen under behandling med Tantalosin. Intressant nog observerades inte den kanoniska autofagiska nedbrytningen. I stället fann de att processen följer en annan icke-kanonisk autofagiväg.

– Vi tror att Tantalosin är en unik molekyl som underlättar förståelsen av nya funktioner av icke-kanonisk konjugering av LC3 till endosomala membran. Vi hoppas att ytterligare studier kommer att avslöja rollen av LC3-membrankonjugering och dess associerade proteiner i membrandeformationprocesser, säger Anastasia Knyazeva.

Om den vetenskapliga artikeln:

Anastasia Knyazeva, et al.: A chemical inhibitor of IST1-CHMP1B interaction impairs endosomal recycling and induces noncanonical LC3 lipidation. PNAS. Vol. 121 | No. 17. April 23, 2024.

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2317680121

För mer information, kontakta gärna:

Yaowen Wu, Kemiska institutionen vid Umeå universitet
E-post: yaowen.wu@umu.se

Anastasia Knyazeva, Kemiska institutionen vid Umeå universitet
Mobil: 070-436 56 21
E-post: anastasia.knyazeva@umu.se

Shuang Li, Kemiska institutionen vid Umeå universitet
Mobil: 073-752 79 49
E-post: shuang.li@umu.se