UiB-forskere løser proteinmysterium

Proteiner styrer alle prosesser i cellene våre og det er svært viktig å forstå hvordan de fungerer og reguleres.

– I mange år har vi visst at nesten alle proteiner som finnes i menneskeceller modifiseres av en bestemt kjemisk gruppe, men ingen har forstått hvorfor, sier professor Thomas Arnesen ved Institutt for Biomedisin, Universitetet i Bergen.

Han forklarer:

– En av de aller vanligste proteinmodifiseringene i menneskeceller heter N-terminal-acetylering. Da avsettes en liten kjemisk gruppe (acetyl) på start-enden (N-terminalen) av et protein. Modifiseringen settes i gang av en gruppe enzymer som heter N-terminale acetyltransferaser (NATer). Selv om disse kjemiske gruppene finnes på nesten alle våre proteiner, vet vi ikke hvorfor dette skjer.

Arnesen har ledet en ny studie som avslører at en av de sentrale funksjonene til denne proteinmodifiseringen er å beskytte proteiner mot degradering, og at dette på organismenivå er viktig for livslengde og evne til å bevege seg normalt.

CRISPR-Cas9 teknologi bidrar til ny kunnskap om N-terminal acetylering

For å svare på spørsmålet om hvorfor vi har N-terminal acetylering, brukte molekylærbiolog og forsker Sylvia Varland to år ved Donnelly Centre for Cellular & Biomolecular Research, University of Toronto, Canada, støttet av et FRIPRO mobilitetsstipend fra Norges Forskningsråd.

Her brukte hun den etablerte CRISPR-Cas9 genredigerings-teknologien og kraftige screening-plattformer tilgjengelig ved et av de beste vitenskapelige miljøene for å definere de funksjonelle rollene til de humane NAT-enzymene.

Varland fokuserte på en av de viktigste NATene, NatC, og den globale screeningen av humane celler som manglet NatC (NatC–KO) avslørte mange humane gener som trolig er involvert i funksjonen til N-terminal acetylering:

– Uten det inspirerende vitenskapelige miljøet ved Donnelly Center kombinert med den økonomiske støtten fra Marie Skłodowska-Curie Actions hadde ikke denne studien sett dagens lys, understreker Varland.  

Tilbake i Arnesen laboratoriet ved UiB, utforsket Varland i flere år de molekylære betydningene av sine genetiske funn sammen med doktorgradstipendiat Ine Kjosås og andre labmedlemmer.

Biokjemiske, cellebiologiske og proteomiske eksperimenter viste at N-terminal acetylering fungerer som et skjold som beskytter mange proteiner mot degradering. Proteiner som mangler den kjemiske acetylgruppen blir gjenkjent av cellens maskineri som er ansvarlig for å ødelegge proteiner (Figur 1).

– N-terminal acetylering har evnen til å definere et proteins levetid og påvirker cellene våre på mange ulike måter, sier Varland.

– Dette er tilfelle for mennesker og det er også tilfelle for bananfluer, som er en nyttig modellorganisme for å studere denne proteinmodifiseringen, fortsetter hun.

N-terminal acetylering kan påvirke aldring

Samtidig i Portugal arbeidet en forskningsgruppe ledet av Rui Martinho med å finne ut hvordan NatC og N-terminal acetylering påvirker bananfluer (Drosophila).

Postdoktor Rui Silva og flere andre kandidater gjorde en rekke forsøk med fluer som manglet N-terminal acetylering. Dette ble kjent for gruppen i Bergen og forskningsgruppene i Portugal og Norge bestemte seg for å samarbeide. De to siste årene har de koordinert sine eksperimenter.

Fluer som mangler NatC lever, men har redusert levetid og eldre fluer har redusert bevegelighet (Figur 2). Disse effektene på levetid og bevegelighet kunne delvis reverseres ved å øke dosen av et nøkkelprotein som er beskyttet av NatC mediert N-terminal acetylering.     

Å løse NatC-puslespillet

Samlet sett har forskerne ved å bruke objektive globale genetiske screeningverktøy kombinert med cellulær fenotyping funnet at en generell funksjon for N-terminal acetylering er å beskytte proteiner mot degradering i humane celler.   

Molekylære undersøkelser definerte de cellulære komponentene (ubiquitin ligaser) som var ansvarlige for å degradere en stor klasse av humane proteiner når disse mangler N-terminal acetylering. Rollen til NatC-mediert N-terminal acetylering er synlig både i humane celler og i bananfluer. Betydningen av disse modifiseringene for levetid og bevegelse hos eldre individer understreker den viktige rollen til protein N-terminal acetylering.

– Denne studien avslører noen av hemmelighetene og viser hvordan N-terminal acetylering kan styre skjebnen til enkeltproteiner i cellene våre, konkluderer Arnesen.

Den norske delen av disse studiene ble støttet av forskningsmidler fra Norges Forskningsråd, Helse Vest, Kreftforeningen og Det Europeiske Forskningsrådet (ERC).    

Litteratur: 

Varland, Sylvia et al. (2023): “N-terminal acetylation shields proteins from degradation and promotes age-dependent motility and longevity”, Nature Communications