Proteinet α-synuklein är ett av de mest förekommande proteinerna i den mänskliga hjärnan. Det kallas ofta för "Parkinsonproteinet, " eftersom avlagring av detta protein i hjärnceller är ett kännetecken för Parkinsons sjukdom. Trots det stora intresset för biomedicinsk forskning för proteinet, många frågor om α-synukleins funktion och fysiologi i levande celler återstår fortfarande att besvara. Till exempel, det var tidigare oklart om och i vilken utsträckning proteinet binder till och interagerar med interna cellkomponenter som membran.

Eftersom sådana processer kan spela en roll i utvecklingen av sjukdomen, teamet ledd av den Konstanz-baserade fysikaliska kemisten professor Malte Drescher använde vidareutvecklingen av en etablerad mätmetod som kallas elektronparamagnetisk resonansspektroskopi (EPR-spektroskopi) för att lära sig mer om Parkinsons proteins bindningsegenskaper. Studien, publicerad i den vetenskapliga tidskriften The Journal of Physical Chemistry Letters , ger proof of concept att den avancerade metoden är fundamentalt lämplig för att belysa protein-lipid-interaktioner i celler. Vidare, detta första praktiska test gav direkta bevis på bindningen av a-synuklein till intracellulära membran.

Långsammare är inte alltid mer grundligt

Den avancerade versionen av EPR-spektroskopi, i den aktuella studien som används för första gången i praktiken, kallas rapid-scan EPR-spektroskopi. I båda metoderna, den konventionella och den avancerade, proteinerna som ska studeras förses först med så kallade spinprober. Dessa kemiska sonder gör det möjligt att upptäcka förändringar i proteinstrukturen. Spinprober har var och en fri elektron vars spinn exciteras av strålning med mikrovågor. "Vi kan föreställa oss snurr som små kompassnålar som påverkas av mikrovågsstrålning under mätningen, Drescher förklarar. I konventionell EPR-spektroskopi, för varje grupp av exciterade snurr är det nödvändigt att vänta tills detta inflytande avtar innan gruppen kan exciteras igen. Denna relativt tidskrävande process måste upprepas under många omgångar för att uppnå den fullständiga mätningen.

Med snabbskanning EPR-spektroskopi, däremot det är inte längre nödvändigt att vänta tills påverkan på en spingrupp avtar innan mätningen fortsätter. "Istället, du rusar inflytandet spektralt från spinngrupp till spinngrupp och återvänder sedan till den första gruppen i det ögonblick då dess excitation precis har avtagit, " säger Drescher. Å ena sidan, denna procedur förkortar den nödvändiga mättiden, medan den å andra sidan tillåter applicering av högre mikrovågseffekt, vilket leder till förbättrad noggrannhet av metoden. Forskarna har använt sig av båda dessa fördelar i sin nuvarande studie om bindningsbeteendet hos α-synuklein.

Den nya metoden i praktiken

Från tidigare studier utförda in vitro ("i provröret") var det redan känt att "Parkinsonproteinet" α-synuklein kan fästa sig på elektriskt negativt laddade lipidmembran. I EPR-spektroskopi, denna bindningsprocess åtföljs av en karakteristisk förändring i den uppmätta signalen. "Det initialt oordnade α-synukleinet antar en ordnad form vid bindning till membranet. Detta minskar rörligheten hos spinnproben, och bindningen av proteinet kan detekteras direkt med mätmetoden, " förklarar Theresa Braun, doktorand i Dreschers forskargrupp och, tillsammans med Juliane Stehle, huvudförfattare till studien.

Använder syntet, negativt laddade membranvesiklar och renat α-synuklein, Drescher och hans kollegor kunde detektera samma signalförändring i EPR-spektroskopi med snabb avsökning. Dock, de lyckades inte bara in vitro, men också inuti cellerna hos den afrikanska klogrodan (Xenopus laevis), i vilken först de konstgjorda membranvesiklarna infördes och, en kort tid senare, proteinet var. Forskargruppen utförde sedan tidsberoende mätningar och kunde direkt observera, baserat på förändringen i mätsignalen, hur andelen av proteinet bundet i cellen ökade med tiden.

En jämförbar – om än betydligt svagare – ökning av mängden bundet α-synuklein över tiden sågs också när inga konstgjorda membran infördes i cellen. Således, enligt Drescher, endast en förklaring återstod för denna avgörande observation. "Detta är första gången som vi ser direkta bevis för att α-synuklein interagerar med det endogena, d.v.s. även naturligt existerande lipidmembran, " avslutar forskaren. På grund av effektens jämförelsevis lilla storlek, i experiment med mindre exakta mätmetoder hade detta tidigare förblivit dolt.

Från groda till människa

I framtida studier, Malte Dreschers team planerar att bygga vidare på detta resultat och ytterligare belysa processen för intracellulär bindning av α-synuklein till naturliga cellkomponenter, för att lära sig mer om proteinets funktion. Ett viktigt steg i denna process kommer att vara övergången från grodceller som modellsystem till olika däggdjurscelltyper. Det långsiktiga målet är att bättre förstå protein-lipid-interaktionerna av "Parkinson-proteinet" och dess roll i utvecklingen av Parkinsons sjukdom för att kunna utveckla lämpliga terapeutiska tillvägagångssätt.