Enthüllung, wie ein uralter genetischer Eindringling in unsere DNA eindringt

Vor Milliarden von Jahren, als primitive Lebensformen immer komplexer wurden, wurde eine egoistische genetische Komponente zu einer Art Genomkolonisator. Mithilfe eines Copy-and-Paste-Mechanismus replizierte sich dieser schädliche Code und fügte sich immer wieder in eine Vielzahl von Genomen ein.

Im Laufe der Zeit haben alle eukaryotischen Organismen den Code geerbt – auch wir. Tatsächlich schrieb dieses uralte genetische Element etwa ein Drittel des menschlichen Genoms – und galt bis vor relativ kurzer Zeit als Junk-DNA.

Diese genetische Komponente ist als LINE-1 bekannt und ihr aggressives Eindringen in das Genom kann verheerende Folgen haben und zu krankheitsverursachenden Mutationen führen. Ein Schlüsselprotein namens ORF2p ermöglicht seinen Erfolg – ​​das heißt, das Verständnis der Struktur und Mechanik von ORF2p könnte neue potenzielle therapeutische Ziele für eine Vielzahl von Krankheiten aufzeigen.

Jetzt haben Rockefeller-Wissenschaftler in Zusammenarbeit mit mehr als einem Dutzend akademischer und industrieller Gruppen erstmals die Kernstruktur des Proteins in hoher Auflösung dargestellt und damit eine Vielzahl neuer Erkenntnisse über die wichtigsten krankheitsverursachenden Mechanismen von LINE-1 gewonnen. Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in Natur.

„Die Arbeit wird ein rationales Arzneimitteldesign für LINE-1 erleichtern und könnte zu neuartigen Therapien und Strategien zur Bekämpfung von Krebs, Autoimmunerkrankungen, Neurodegeneration und anderen Alterskrankheiten führen“, sagt der leitende Autor John LaCava, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Rockefeller University .

Evolutionäre Partner

LINE-1 ist ein Retrotransposon, eine Art mobiler genetischer Code, der RNA zurück in DNA übersetzt, während er sich an verschiedenen Stellen im Genom eines Organismus repliziert und schreibt. Es gibt verschiedene Arten von Retrotransposons, darunter endogene Retroviren (ERVs), die HIV und Hepatitis B (HBV) ähneln.

Der Ursprung von LINE-1 ist unklar, es besteht jedoch eine evolutionäre Verbindung zu Introns der Gruppe II, einer Klasse alter mobiler Elemente, die etwa 2,5 Milliarden Jahre alt sind. Retrotransposons wie LINE-1 entwickeln sich seit 1 bis 2 Milliarden Jahren mit ihren Wirtsorganismen weiter.

„Es ist ein andauernder Kampf zwischen dem Versuch von LINE-1, sich einzuschleusen, und dem Wirt, der sein eigenes Genom schützt“, sagt Co-Erstautor Trevor van Eeuwen, Postdoktorand am Rockefeller-Labor für Zell- und Strukturbiologie.

In unseren Zellen finden sich Millionen genetischer Fragmente, die von LINE-1 abgeleitet sind. Die überwiegende Mehrheit sind inaktive evolutionäre Relikte, ein Beweis für gescheiterte Versuche, die Replikationsmaschinerie zu kapern. Aber etwa 100 LINE-1 sind betriebsbereit – und normalerweise nicht hilfreich. Ein von LINE-1 produziertes Protein, bekannt als ORF1p, wird von Krebszellen produziert, wie eine aktuelle Studie von LaCava, Michael P. Rout und ihren Mitarbeitern beschrieb.

LaCava und Martin Taylor vom Massachusetts General Hospital und der Harvard Medical School haben mehr als ein Jahrzehnt lang gemeinsam LINE-1 und seine Proteine ​​untersucht, aber weil ORF2p so selten und selten exprimiert wird, ist es noch immer kaum verstanden. „LINE-1 war so schwer zu studieren, weil es sehr seltsame Merkmale aufweist“, sagt LaCava.

„Zum Beispiel hat es einen ungewöhnlichen Replikationszyklus und das ORF2p-Protein, das niemand einfangen konnte. Aber Marty und ich haben schließlich einen Punkt erreicht, an dem unsere Forschung dazu ausgereift genug war, dass wir mit der Untersuchung seiner Struktur beginnen konnten.“

Taylor machte wichtige Fortschritte bei der Reinigung des ORF2p in voller Länge sowie einer kürzeren „Kern“-Version, die die L1-Replikation erleichtert; Diese Fortschritte erleichterten die folgenden Durchbrüche.

Alleskönner

Mithilfe einer Kombination aus Röntgenkristallographie und Kryo-EM entdeckte das Forschungsteam zwei neuartige gefaltete Domänen im Kern von ORF2p, die zur Fähigkeit von LINE-1 beitragen, Kopien von sich selbst anzufertigen.

ORF2p verfügt über strukturelle Anpassungen, die speziell für diese Unternehmungen geeignet sind, sagt van Eeuwen. Es ist eine Art Alleskönner-Protein, das alles von der Replikation bis zur Insertion bewältigen kann. Doch während die meisten Viren zur Replikation möglicherweise Hunderte von Reverse-Transkriptase-Proteinen benötigen, erledigt ORF2p alles.

Doch wenn LINE-1 im Zytoplasma aktiviert wird, „wirkt es wie ein virales Imitator. Es erzeugt RNA:DNA-Hybride, die wie eine Virusinfektion aussehen, wenn sie wahrgenommen werden“, bemerkt van Eeuwen. Diese virale Mimikry deutet auf eine mögliche Lösung des Rätsels hin, wie ORF2p das angeborene Immunsystem aktiviert und so zu Autoimmunerkrankungen und anderen Erkrankungen beiträgt.

Ihre Forschung ergab, dass Interaktionen mit genetischem Material im Zytoplasma den antiviralen cGAS/STING-Signalweg aktivieren. Dieser Weg führt wiederum dazu, dass Zellen Interferone produzieren, was das Immunsystem stimuliert und zu Entzündungen führt, ähnlich wie bei einer Infektion durch ein Virus.

„Seine Hauptfunktion scheint darin zu bestehen, Kopien von sich selbst zu vermehren, und wenn LINE-1 Sequenzen verschiebt, besteht die Möglichkeit, dass diese Sequenzen ein Gen zerstören könnten“, sagt er. „Aber es besteht auch die Möglichkeit, dass sie neue genetische Elemente oder neuartige Funktionalitäten schaffen, die für den Wirt von Vorteil sind.“

Der Weg vor uns

In Zukunft werden die Forscher versuchen, die beiden neu entdeckten Kerndomänen zu lösen und ihre Funktionen zu verstehen. In der Zwischenzeit „legt unsere strukturelle Aufklärung von ORF2p den Grundstein für zukünftige Studien, die erforderlich sind, um unser Verständnis des LINE-1-Insertionsmechanismus, seiner Entwicklung und seiner Rolle bei Krankheiten zu analysieren und zu verbessern“, sagt van Eeuwen.

Sie wollen auch die möglichen klinischen Anwendungen ihrer Erkenntnisse untersuchen. Da eine Verwandtschaft zwischen Retrotransposons und Retroviren besteht, testeten sie in der aktuellen Studie Behandlungen für die Retroviren HIV und HBV, um zu sehen, ob sie LINE-1 hemmen würden. Dies war nicht der Fall, was darauf hindeutet, dass das Design der Therapeutika auf die einzigartigen Eigenschaften von LINE-1 zugeschnitten werden muss.

„Die Arbeit öffnet die Tür für ein rationales Arzneimitteldesign besserer LINE-1-Inhibitoren, und wir hoffen, dass diese bald zu klinischen Studien führen werden“, sagt LaCava.

Und Rout fügt hinzu: „Diese Studie unterstreicht auch das Potenzial der Integration mehrerer Arten von Daten – und des Fachwissens mehrerer Labore – zur Lösung grundlegender biomedizinischer Fragen.“