Structuur opgehelderd van transporteiwit betrokken bij kanker

Het eiwit ASCT2, dat cellen gebruiken om glutamine op te nemen, speelt een rol bij sommige vormen van kanker. Bovendien gebruiken verschillende ziekteverwekkende retrovirussen het om cellen te infecteren. Een team van RUG wetenschappers heeft nu met behulp van cryo-elektronenmicroscopie de structuur van dit eiwit opgehelderd. Dit kan nieuwe ideeën opleveren voor het ontwikkelen van geneesmiddelen. De resultaten zijn op 5 juni gepubliceerd in het tijdschrift Nature Structural & Molecular Biology

In menselijke cellen zorgt het eiwit ASCT2 in verschillende weefsels voor de opname van het aminozuur glutamine. De hoeveelheid ASCT2 is in bepaalde soorten kankercellen verhoogd, vermoedelijk omdat ze meer behoefte hebben aan glutamine. Bovendien kunnen bepaalde virussen zich binden aan het eiwit en vervolgens de cel infecteren.

ASCT2 hoort bij een grote familie van vergelijkbare transporteiwitten. Om te begrijpen hoe deze eiwitten precies werken hebben onderzoekers van het Groningen Biomolecular Sciences and Biotechnology Institute (GBB) van de RUG de 3D structuur van het eiwit opgehelderd. Dit kan helpen bij het ontwikkelen van geneesmiddelen die glutamine transport blokkeren, of die het binden van gevaarlijke virussen tegengaan. Omdat het niet lukte kristallen te laten groeien van het eiwit, wat nodig is voor structuurbepaling via röntgendiffractie, is er een andere techniek gebruikt: cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM) van losse eiwitten. Het menselijke gen voor ASCT2 is naar gistcellen overgezet, waarna het eiwit hieruit is geïsoleerd voor het onderzoek.

Het onderzoek leverde een structuur op met en resolutie van 3,85 ångström (0,385 nanometer) en dat leverde nieuwe inzichten op. ‘Het was niet eenvoudig dit eiwit in beeld te brengen, omdat het aan de kleine kant is voor cryo-EM, vertelt Cristina Paulino, hoofd van de afdeling cryo-EM van de RUG. ‘Maar het transporteiwit is een symmetrisch complex van drie identieke monomeren en dat maakt het weer eenvoudiger.’

Lift

De beelden uit de elektronenmicroscoop tonen een bekende ‘lift-structuur’, waarbij een deel van het eiwit op en neer gaat door de celmembraan heen. In de bovenste positie kan het substraat de lift binnengaan, die dan naar beneden zakt en het in de cel aflevert. De structuur die is gevonden toont ASCT2 met de lift in de ‘beneden’ positie. ‘Die bleek veel verder naar beneden te gaan dan we hadden gezien in andere vergelijkbare transporteiwitten’, vertelt biochemicus Dirk Slotboom. ‘En het eiwit was gedraaid. Eerder nam men aan dat het substraat de lift binnengaat door één opening en eruit via een andere opening, maar onze resultaten suggereren dat beide keren dezelfde ‘deur’ wordt gebruikt.’

Deze informatie kan helpen bij het ontwerpen van kleine moleculen die glutaminetransport via ASCT2 blokkeren, zegt Albert Guskov, die kristallografie als vakgebied heeft. ‘Er zijn al artikelen gepubliceerd over kleine moleculen die het transport blokkeren bij muizen.’ Zo’n blokkade kan wellicht kankercellen doden. ‘De nieuwe structuur die we hebben gevonden zorgt ervoor dat we dit soort moleculen meer gericht kunnen ontwerpen.’

Uitsteeksels

Een andere verrassing in de structuur waren de puntige uitsteeksels die op elk van de drie monomeren aan de buitenkant van de cel zitten. ‘Die zijn niet eerder gezien’, vertelt Slotboom. ‘Dit zijn de punten waar de retrovirussen zich binden aan de cel.’ De waarneming bevestigt eerdere onderzoek waarbij mutaties zijn aangebracht in het ASCT2 gen. En opnieuw: kennis van de vorm van de uitsteeksels kan helpen bij het ontwerpen van moleculen die de binding van virussen tegengaan.

De eiwitstructuur is in ongeveer vier maanden opgehelderd, wat nogal snel is voor de gebruikte techniek. Verschillende wetenschappers met elk een eigen specialisme werkten parallel aan het project, wat het onderzoek versnelde. Bovendien zorgde promovendus Alisa Garaeva, de eerste auteur van het artikel, als spin in het web voor een efficiënte voortgang van het project.

Vervolgonderzoek moet de structuur van ASCT2 in verschillende omstandigheden zichtbaar maken, bijvoorbeeld in een lipide dubbellaag die lijkt op een celmembraan, in plaats van in de blaasjes met detergent die in de huidige studie zijn gebruikt. Paulino, Slotboom en Guskov denken dat die verschillende structuren nog meer inzicht zullen geven in de werking van het eiwit.

Referentie: Alisa A. Garaeva, Gert T. Oostergetel, Cornelius Gati, Albert Guskov, Cristina Paulino & Dirk J. Slotboom: Cryo-EM structure of the human neutral amino acid transporter ASCT2. Nature Structural & Molecular Biology. 5 June 2018. DOI: s41594-018-0076-y