Erfassung dynamischer allosterischer Netzwerke via Protein-NMR-Spektroskopie
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Proteinkinasen – Proteine, die Phosphatgruppen übertragen – sind die Hauptbestandteile zellulärer Signalkaskaden und überaus wichtige pharmakologische Targets, z. B. im Krebskontext. Leider ist die Architektur ihrer aktiven Taschen über die gesamte Familie der Kinasen konserviert. Entsprechend sind Inhibitoren, die darin binden sollen, meist unspezifisch und mit einer Vielzahl von Nebenwirkungen verknüpft. Allosterische Effektoren sind dagegen Moleküle, die an solche Regionen des Proteins binden, die keine direkte funktionale Bedeutung haben und trotz dessen einen pharmakologischen Effekt induzieren können. Während einer solchen Belegung manchmal direkte strukturelle Konsequenzen folgen, kann der allosterische Effekt auch rein über eine Modulation der Proteindynamik entstehen. Diese „dynamische Allosterie“ ist über herkömmliche Methoden der Strukturbiologie, insbesondere die Röntgenkristallographie oder die Cryo-Elektronenmikroskopie, schwer nachzuvollziehen.
Hier nutze die Doktorandin im Rahmen eines dreimonatigen Forschungsaufenthaltes in Auburn eine in silico Methode, die sogenannte Dynamic Network Analysis, die in der Gruppe von Rafael Bernardi verankert ist, um dem Ausmaß des vermuteten allosterischen Netzwerkes auf die Spur zu kommen. Die Analyse ergab ein globales Miteinanderkoppeln der Bewegungen innerhalb des Enzyms. Da die in silico Analyse potentiell von Limitationen der verwendeten Kraftfelder geprägt sein können, wurden zurück in Dortmund über das Protein gestreut einzelne Mutationen in das Protein eingefügt und die Mutanten insbesondere biochemisch in Bezug auf funktionale Aspekte sowie NMR-spektroskopisch in Bezug auf Änderungen der restaufgelösten Dynamik untersucht. Interessanterweise wurden bei Mutationen im Kern des Proteins global ausstrahlende Effekte gefunden, d. h. Änderungen der restaufgelösten chemischen Verschiebungen einzelner Amide sowie Änderungen der Relaxationsraten auf schnellen und mittleren Zeitskalen. Bei einer Mutante, die sich außerhalb der für die Regulation des Proteins befindlichen Domänen befand, wurden solche globalen Effekte der Punktmutation nicht gefunden. Die Ergebnisse unterstützen die These der dynamischen Allosterie, dass einzelne funktionelle Regionen, die für die Regulation und Funktion von Enzymen im Zusammenhang stehen, Veränderungen über das Proteingerüst gekoppelt gegenseitig „spüren“ und so Information zu Bindungsevents auf einer Seite hin zu anderen Regionen des Proteins transportiert werden können.
Zur Publikation:
S. Roy Acharyya, J. Weisner, R. C. Bernardi, R. Linser,
“Mapping of dynamic allostery within p38 alpha kinase via network analyses and NMR spectroscopy”,
Nat. Commun. (2026).