Mithilfe der Proteinsynthese können Zellen sehr schnell auf externe oder interne Reize reagieren und die Zellfunktionen entsprechend anpassen. Wenn Forscher wissen wollen, wie sich die Proteinsynthese auf zelluläre Prozesse auswirkt, blockieren sie diese meist mit Antibiotika. Diese wirken jedoch nicht Zell-spezifisch und führen zu unerwünschten Nebenwirkungen beziehungsweise Off-Target-Effekten.
Statt mit der chemischen Keule auf die Proteinsynthese einzuschlagen, und dabei auch andere Zellfunktionen zu treffen, entwickelte Erin Schumans Gruppe vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main eine wesentlich präzisere, auf einem genetisch codierten Proteinsynthese-Inhibitor (gePSI) basierende Methode. Die Gruppe untersuchte mit dem gePSI-Inhibitor die synaptische Plastizität von Neuronen, bei der die Proteinsynthese eine entscheidende Rolle spielt. Er funktioniert aber auch in anderen Fällen, in denen man die Proteinsynthese zeitlich und räumlich in der Zelle kontrollieren will.
Die Basis für den gePSI-Inhibitor bilden Pflanzen- und Bakterien-Toxine der Shiga- und Ricin-Familie, die auch als Ribosomale Inaktivierende Proteine (RIP) bezeichnet werden. RIPs spalten Purinbasen (Depurinierung) in einer spezifischen Region der ribosomalen 28S-rRNA ab, wodurch die Proteinsynthese zum Stillstand kommt.
Um die Proteinsynthese mit gePSI zu inhibieren, werden die Zellen mit einem Konstrukt transfiziert, das für die beiden katalytisch aktiven Ketten (alpha- und beta-Kette) des gePSIs codiert. Die Steuerung der gePSI-Expression übernimmt ein Promotor, der durch das Antibiotikum Doxycyclin aktiviert wird.
Behandelt man die Zellen mit Doxycylin werden die beiden Ketten exprimiert und das hieraus resultierende gePSI-Holoenzym (alpha- und beta-Kette sind miteinander verbunden) inhibiert die Proteinsynthese der Zelle. Der entsprechend ausgewählte Promoter ist nur in ganz spezifischen Zellen aktiv, was die Expression des gePSI-Inhibitors in fälschlich transfizierten Zellen verhindert.
Der gePSI inhibiert zwar die Proteinsynthese – die Zelle stirbt aber nicht. Erin Schumans Mitarbeiter zeigten dies an Neuronen des Hippocampus. Selbst eine über sechs Tage andauernde Expression des Inhibitors führte nicht zum Zelltod. Es dauert jedoch zwei bis vier Stunden bis die Proteinsynthese nach der Expression des gePSIs komplett blockiert ist. Die Frankfurter Neurowissenschaftler vermuten, dass sich erst nach dieser Zeit genügend gePSI-Proteine für die Inhibierung der Proteinsynthese in der Zelle angesammelt haben.
Schuman und ihre Kollegen untersuchten mit dem gePSI-Inhibitor insbesondere die Neuroplastizität von Nervenzellen. Dazu wollten sie zunächst wissen, ob die Expression von gePSI die Antwort von Nervenzellen auf äußere Reize blockiert. Das Team exprimierte hierzu den Calcium-Indikator GCaMP6s in kultivierten Neuronen des Hippocampus und beobachtete diese mittels Zwei-Photonen-Mikroskopie.
Unter dem Mikroskop sahen die Forscher, dass Neurone die gePSI exprimierten, sowohl auf einzelne, als auch auch auf mehrfache Reize (train stimulation) reagierten. Ein anderes Bild zeigte sich jedoch, als die Gruppe das Wachstum von Dornenfortsätzen (Spines) der Neuronen mithilfe des sogenannten Zwei-Photonen-Glutamate-Uncagings anregte. Die hierdurch ausgelöste neuronale Plastizität, die sich in einer Vergrößerung der Dornen-Köpfe äußert, erfordert die Synthese von Proteinen. In Neuronen, die gePSI exprimierten, vergrößerten sich die Dornen-Köpfe deshalb nur geringfügig.
Neunzig Prozent der Neuronen erholten sich nach der gePSI-Expression wieder innerhalb von 72 Stunden. Mit der gePSI-Methode lässt sich die Proteinsynthese in den Zellen also nicht nur zeitlich und räumlich begrenzt ausschalten – der überwiegende Teil der Zellen erlangt auch wieder die ursprüngliche Aktivität zurück.
Frederique Wieters
Heumüller M. et al. (2019): A genetically encodable cell-type-specific protein synthesis inhibitor. Nature Methods, DOI: 10.1038/s41592-019-0468-x