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Kryo-Elektronenmikroskopie macht Bindung von Modulatoren am CFTR-Kanal sichtbar

CFTR-Modulatoren wirken – aber wie sie das genau machen und wo sie am CFTR-Protein binden, war bislang unbekannt. Die Entwicklung der hochauflösenden Mikroskopie begann in den 70er Jahren und gewann 2013 einen enormen Anschub durch die Entdeckung der Kryo-Technik. 2017 wurde die Beharrlichkeit dreier Forscher (Richard Henderson, Joachim Frank, Jacques Dubochet) mit dem Chemie-Nobelpreis belohnt. Ihnen ist zu verdanken, dass Proteine und andere biologische Materialien in ihrer dreidimensionalen Form sichtbar gemacht werden können. Für das Nobelpreis-Komitee ist dadurch eine „neue Ära der Biochemie angebrochen“, die erfreulicherweise auch die CF-Forschung vorantrieb: Nachdem 2017 die Struktur des CFTR-Kanals im geschlossenen Zustand und kurze Zeit später die des CFTR-Kanals im leicht geöffneten Zustand veröffentlicht wurde (s. Artikel unter Quellen), liegen nun erste Strukturbilder über den CFTR-Kanal vor, die zeigen, wo genau die Modulatoren an das CFTR-Molekül binden. Das Wissen, wie Wirkstoffe an das CFTR-Protein binden, ist enorm wichtig, um neue oder auch bessere Medikamente zu entwickeln.

In der nun im Magazin Science veröffentlichten Arbeit zeigen amerikanische Forscher, wie der in Europa seit 2012 zur Therapie bei Mukoviszidose (G551D Mutation; seit 2014 auch für andere Gating-Mutationen) zugelassene CFTR-Potentiator an den CFTR-Kanal bindet. Aber auch ein anderer Potentiator (GLPG1837), der noch in der klinischen Entwicklung ist, wurde im Komplex mit dem CFTR-Protein sichtbar gemacht. Stark vereinfacht kann man sich das CFTR-Protein als Pore in der Zellmembran vorstellen, die durch zwei gegenüberliegende Stränge des Proteins (die Transmembran-Domänen, TMD) gebildet wird. Im Zellinnern befindet sich der Teil des CFTR-Proteins, der den „Universaltreibstoff“ biochemischer Prozesse (ATP, Adenosintriphosphat) bindet und dafür nutzt, den regulatorischen Bereich des CFTR-Kanals (R-Domäne) zu aktivieren. Nur ein auf diese Weise aktiviertes CFTR-Protein kann die Pore für die Transportvorgänge über die Zellmembran öffnen.

Ivacaftor und GLPG1837 binden CFTR an der gleichen Stelle

Ivacaftor wurde entdeckt, indem Zelllinien mit der G551D-Mutation in einem systematischen Substanz-Screening hinsichtlich einer Wiederherstellung der CFTR-Funktion untersucht wurden. Ivacaftor zeigte Wirkung, man wusste allerdings nicht genau, was in der Zelle passiert. Die Untersuchungen mithilfe der Kryo-Mikroskopie lassen nun darauf schließen, dass Ivacaftor direkt an das CFTR-Protein bindet und zwar dort, wo das Protein die Zellmembran durchspannt und die Pore für den Transport bildet. Möglicherweise, so vermuten die Forscher, fixiert Ivacaftor das CFTR-Protein so in dem geöffneten Zustand. Dabei wird die Form des CFTR-Proteins aber ansonsten anscheinend nicht verändert, was gut ist. Aber die Forscher untersuchten nicht nur die Bindung von CFTR mit Ivacaftor, sondern auch eine derzeit von Galapagos/Abbvie in der Entwicklung befindliche Substanz, GLPG1837. Diese bindet das CFTR-Protein an der gleichen Stelle wie Ivacaftor, allerdings in einer etwas anderen Ausrichtung. Auch wenn die Form des GLPG1837-Moleküls eine andere ist als die des Ivacaftor-Moleküls, so scheinen doch sehr ähnliche chemische Bindungen das „Andocken“ an dem CFTR-Kanal zu ermöglichen.

Molekularbiologische Veränderungen am CFTR-Molekül verändern die Bindungseigenschaften

Diese auf elektronenmikroskopischen Bildern beruhenden Ergebnisse bestätigten die Forscher durch molekularbiologische Untersuchungen am CFTR-Protein. Sie veränderten das CFTR-Protein (durch Austausch einzelner Bausteine, den Aminosäuren) in dem Bereich, wo Ivacaftor und GLPG1837 den mikroskopischen Daten nach binden. Die Ergebnisse sind eindeutig: Wird die Bindungsstelle im CFTR-Protein verändert, so kann dadurch die chemische Bindung zwischen CFTR und Ivacaftor verstärkt oder auch abgeschwächt werden – und genau da wollten die Forscher mit ihren Untersuchungen hin: kennt man die Eigenschaften von Protein und Wirkstoff hinsichtlich der dreidimensionalen Form und der chemischen Bindungseigenschaften, so können Wirkstoffe nach dem Baukastenprinzip entworfen werden.

Ein vom Mukoviszidose e.V. gefördertes Projekt liefert ebenfalls Daten zur Struktur des CFTR-Proteins

Der Mukoviszidose e.V. hat bereits 2012 ein Forschungsprojekt gefördert, in welchem nach Nanobodies gesucht wurde, um das defekte CFTR (F508del) zu stabilisieren. Informationen zu dem 2017 abgeschlossenen Projekt finden sich auf der Unterseite Forschungsförderung - Geförderte Projekte. Nanobodies werden aus Lamas gewonnen und funktionieren ähnlich wie Antikörper, d.h. sie können sehr spezifisch an Strukturen binden. Die Idee der Forscher war es, Nanobodies zu finden, die an das defekte CFTR-Protein binden und bewirken, dass der Kanal nicht frühzeitig abgebaut, sondern in die Zellmembran eingebaut wird – denn man wusste ja schon lange, das ein CFTR-Kanal mit der F508 del-Mutation eigentlich funktioniert, nur leider den Weg in die Membran nicht findet. In dem Projekt wurden verschiedene Nanobodies gefunden, die das CFTR-Protein stabilisieren, funktionelle Tests stehen jedoch noch aus. Im Laufe des Projekts hat sich jedoch eine weitere interessante Anwendungsmöglichkeit ergeben: die Nanobodies sind gut geeignet, um die Struktur des CFTR-Proteins zu erforschen und mögliche Bindungsstellen zur Stabilisierung und Regulation des Kanals aufzuzeigen. In einer Publikation  hat die Arbeitsgruppe um Cédric Govaerts die Ergebnisse der letzten Jahre nun veröffentlicht. Die Publikation kommt damit gerade richtig, da das Thema „CFTR-Struktur“ derzeit sehr viel Aufmerksamkeit erfährt.

Veranstaltung zum Thema CFTR-Struktur bringt Strukturbiologen und Kliniker zusammen

Aus diesem Grund hatten die europäischen Patientenorganisationen (CF Europe) zusammen mit der Europäischen CF Gesellschaft (ECFS, European Cystic Fibrosis Society) im März 2019 eine Veranstaltung zu dem Thema durchgeführt, um Forscher und Kliniker zusammenzubringen und gemeinsam zu diskutieren, wie das aktuelle Wissen über die dreidimensionale Struktur des CFTR-Proteins zur Entwicklung von Medikamenten zur Verbesserung der Mukoviszidose-Therapie genutzt werden kann. Das „Pre-Conference Meeting“ ist auf großes Interesse gestoßen und eine Zusammenfassung der Beiträge und der Diskussion wurde von den Chairs der Veranstaltung, Bertrand Kleizen und David Sheppard, zur Veröffentlichung bereits eingereicht.

Quellen:

Cell. 2017 Mar 23;169(1):85-95.e8. doi: 10.1016/j.cell.2017.02.024.
Proc Natl Acad Sci U S A. 2018 Dec 11;115(50):12757-12762. doi: 10.1073/pnas.1815287115. Epub 2018 Nov 20.

Bei Fragen wenden Sie sich bitte an Dr. Sylvia Hafkemeyer (SHafkemeyer(at)muko.info).