Was ist eine rezeptorzelle?

Zellen können miteinander kommunizieren, indem ein Protein an einen Rezeptor auf der Zelloberfläche bindet.

Es löst ein Signal aus, das die Zelle zu einer bestimmten Reaktion veranlasst.

Einige Signalsysteme beruhen jedoch darauf, dass das Signal nur gesendet wird, wenn sich Proteine in großen Clustern um den Rezeptor auf der Zelloberfläche sammeln, nur ein oder zwei Proteine aktivieren das System nicht. In einem Projekt am Karolinska Institutet entwickeln Forscher Methoden, um solche Protein-Cluster.

Es gibt viele Bereiche, in denen es wertvoll ist, Ansammlungen von Proteinen auf der Zelloberfläche messen zu können.

Zum Beispiel, um zu verstehen, wie Krebszellen kommunizieren und wie wir sie beeinflussen können", sagt Björn Högberg, Professor für Biophysik molekularer Systeme am Karolinska Institutet.

Bei Brustkrebs zum Beispiel ist die Prognose schlechter, wenn bestimmte Proteincluster gebildet werden, und in unserem Immunsystem können Ansammlungen von Proteinen auf der Zelloberfläche dazu führen, dass eine Zelle unschädlich gemacht werden muss.

Doch die heutigen Methoden, um solche Ansammlungen von Proteinen zu messen, reichen nicht ganz aus, sagt Björn Högberg.

Es ist möglich, farbige Antikörper zu verwenden, die an die Proteine binden. Aber dann kann man nicht genau sehen, wie viele Proteine es gibt und wie sie sich befinden. Hochauflösende Mikroskopie ist eine weitere Option, die jedoch fortschrittliche Geräte und komplizierte Experimente erfordert.

Unsere Idee ist es, zu versuchen, einfachere Methoden zu entwickeln, die statistisch besser und objektiver als die heute existierenden.

Proteine ohne Mikroskop abbilden

Grundlage für die Methoden der KI-Forscher ist es, Verbindungen zwischen DNA-Strängen herzustellen, die dann mittels DNA-Sequenzierung ausgelesen werden können.

Björn Högberg beschreibt es als den Versuch, mit Hilfe der Sequenzierung auf die molekulare Ebene zu blicken.

Wir versuchen, einen DNA-Strang dazu zu bringen, je nachdem, wie sich die Proteine befinden, unterschiedliche Sequenzen zu bilden, so dass wir durch das Ablesen der DNA ein Bild der Proteine auf der Zelloberfläche erhalten können.

Auf dem Schreibtisch vor Björn Högberg liegt etwas, das aussieht wie Nudeln, bevor sie gekocht werden.

Dabei handelt es sich um Modelle sogenannter DNA-Origami-gefalteter DNA-Stränge, eine Technik, die seine Arbeitsgruppe entwickelt hat. Mit DNA-Origami können Forscher ganz einfach nanometergroße Strukturen bauen und genau so gestalten, wie sie aussehen sollen.

DNA-Origami wird in einer der beiden Methoden verwendet, die die Forscher jetzt entwickeln und die hauptsächlich von der Mitforscherin des Projekts, Ana Texeira, geleitet wird.

Auf einer Ebene Origami-Struktur fügen die Forscher kurze DNA-Stränge an, die jeweils eine bestimmte DNA-Sequenz enthalten. Das Origami darf dann an die Proteinansammlungen binden, die Sie untersuchen möchten und die ebenfalls mit verschiedenen DNA-Strängen markiert wurden.

Dann wird das Enzym DNA-Polymerase hinzugefügt, das DNA-Stränge zusammen aufbauen kann, während die Probe und das Origami miteinander in Kontakt kommen.

Liegen die Fäden nahe genug beieinander, wird die Information aus der DNA des Proteins in die DNA des Origami kopiert", erklärt Björn Högberg.

Wenn wir dann das Origami entfernen, erhalten wir eine Art Abdruck der Zelloberfläche, der in die DNA des Origamis eingeschrieben ist.

Wenn wir die DNA mit Sequenzierung ablesen, können wir im Grunde bestimmen, wie die Zelloberfläche auf molekularer Ebene aussah, DNA-Strang A ist mit Strang B verbunden, also müssen Protein A und Protein B nahe beieinander gewesen sein, und so weiter.

Einfache Anwendung

: Bei der zweiten Variante der Methode wird kein DNA-Origami als Träger verwendet. Sie beruht aber auch darauf, dass Proteine werden mit DNA-Strängen markiert, woraufhin das Polymerase-Enzym die Stränge so verbindet, dass die Sequenzierung des neuen Strangs möglich ist, um Informationen über die Position der Proteine zu erhalten.

Mit dieser Methode lassen sich auch andere Moleküle als Proteine untersuchen", sagt Björn Högberg.

Geben Sie zum Beispiel ein Bild davon, wie sich mRNA in Zellen befindet.

Die Methoden mögen kompliziert klingen, sollten aber in der Praxis einfach anzuwenden sein.

Sie entnehmen einfach Ihre Gewebeproben oder Zellproben, pipettieren ein wenig darauf und sequenzieren. Einfachheit ist Stärke. Mit unseren Methoden können Sie problemlos eine große Anzahl von Proteinclustern gleichzeitig betrachten. Dies führt zu statistisch zuverlässigeren Ergebnissen, als wenn man mit einem Mikroskop auf eine ausgewählte Zelle schaut, und es ist einfach, viele Experimente parallel durchzuführen.

Als Beispiel nennt Björn Högberg die Möglichkeit, schnell die Wirkung von Hunderten verschiedener Wirkstoffkandidaten auf die Proteinakkumulation in Brustkrebszellen.

Herausforderungen im Labor

Die Chancen des Projekts sind groß, aber auch die Herausforderungen.

Dabei greifen die Forschenden ein völlig neues Konzept auf: Die Idee, mittels Sequenzierung Daten über die Geometrie auf molekularer Ebene zu erhalten, wurde in veröffentlichten Studien bisher nicht experimentell gezeigt.

Unsere Mitarbeiter mussten sich im Labor viele Dinge selbst ausdenken, niemand konnte ihnen beibringen, wie man das macht. Jetzt haben wir Anzeichen dafür, dass die Methoden funktionieren, aber als wir anfingen, war es ein Glücksspiel.

Im Zellkulturlabor legt Forscher Ian Hoffecker eine Kulturschale unter ein Mikroskop.

Bisher haben die Forscher gesehen, dass die Methoden in einfachen Modellsystemen funktionieren. Bis zum Ende der Projektlaufzeit glaubt Björn Högberg, dass sie dies auch in Zellproben gezeigt haben werden und vielleicht sogar noch weiter gegangen sind:

Es würde Spaß machen, auch in der Krebsbiologie etwas Neues zu entdecken.

Text Sara Nilsson
Foto Magnus Bergström