Die selektive Anreicherung des Selenoproteoms

Selenoproteine sind selenocysteinhaltige Proteine, wovon 25 im menschlichen Genom kodiert sind. Erstaunlicherweise sind die Funktionen von Selenoproteinen nur teilweise bekannt, was hauptsächlich auf experimentelle Herausforderungen in Bezug auf deren Expression, Aufreinigung und Analyse zurückzuführen ist. Selenoproteine mit bekannten Funktionen spielen jedoch eine wichtige Rolle in der zellulären Homeostase und unter Stress. Sie stellen auch vielsprechende Ziele für tumorhemmende therapeutische Interventionen dar, da sie in Entgiftungsprozessen, sowie auch in Therapieresistenz, involviert sind. Dieses Projekt hat zum Ziel Selenocystein-selektive Sonden herzustellen, um die Gesamtheit der Selenoproteine aus biologischen System anzureichern und nachfolgend mittels Massenspektrometrie-basierten proteomischen Methoden zu analysieren. Zur erfolgreichen Bearbeitung dieser Forschungsfrage werden synthetische Chemie, analytische Chemie, Proteomik und Zellkultur komibiniert. Die vorgeschlagenen Selenoprotein-selektiven Sonden werden es ermöglichen die basale Expression von Selenoproteinen in verschiedenen Krebszelltypen und linien abzubilden. Zudemwird die differentielle Genexpression von Selenoproteinen durch Selensupplementierung und chemische Stimulantien untersucht. Schlussendlich kann die Methode gebraucht werden, um die Selenoprotein-Selektivität von Wirkstoffkandidaten zu charakterisieren. Die spezifische Anreicherung von Selenoproteinen aus biologischen Systemen wird somit die Grundlage schaffen, um diese umfassend zu analysieren und wird das benötigte Wissen liefern, um angemessene therapeutische Strategien zu entwickeln.

Selenoproteine sind eine lebenswichtige Klasse von Proteinen im menschlichen Körper, die das Spurenelement Selen enthalten, das eine wesentliche Rolle bei der Regulierung von oxidativem Stress und der Unterstützung der Immunfunktion spielt. Die Untersuchung dieser Proteine ist jedoch eine Herausforderung. Ein Grund dafür ist, dass die selenhaltige Aminosäure Selenocystein reaktiv ist. Darüber hinaus kommen Selenoproteine in der Regel nur in sehr geringen Mengen in den Zellen vor, so dass sie mit den üblichen Labortechniken nur schwer untersucht werden können. Im Rahmen dieses Projekts wird ein neuartiger Ansatz zur Bewältigung dieser Herausforderungen vorgestellt, bei dem speziell entwickelte chemische Sonden auf Goldbasis zum Einsatz kommen. Diese Sonden sind so konzipiert, dass sie selektiv an Selenocystein binden und es ermöglichen, Selenoproteine aus komplexen biologischen Proben zu gewinnen und anzureichern. Konkret wurde ein Gold(III) Komplex hergestellt, der durch eine freie funktionelle Gruppe chemisch an ein definiertes Harz gebunden werden kann. Mithilfe chemoproteomischer Analysen konnten so diejenigen Proteine aus Zellextrakten identifiziert werden, welche mit der Goldsonde wechselwirkten. Dabei enthält ein Zellextrakt Tausende von Proteinen. Tatsächlich zeigte die Sonde eine starke und selektive Wechselwirkung mit Thioredoxin-Reduktase 1 (TXNRD1), einem wichtigen Selenoprotein, das an der Aufrechterhaltung des Redox-Gleichgewichts in Zellen beteiligt ist. TXNRD1 enthält ein einzigartiges Sequenzmotiv, eine reaktive Kombination aus Cystein und Selenocystein, die auch als Bindungsstelle der Sonde charakterisiert wurde. Die Wechselwirkung mit TXNRD1 erfolgt dabei über einen charakteristischen zweistufigen Mechanismus. Zunächst koordiniert das Gold-Metall vorwiegend Selen-hältige Stellen des Proteins. Im nächsten Schritt wird durch eine reduktive Eliminierung, der Chelatligand kovalent an das Protein gebunden. Es wurde auch festgestellt, dass die freie, nicht immobilisierte Goldsonde die TXNRD1-Aktivität in lebenden Zellen hemmt und den NRF2-KEAP1-Signalweg aktiviert, eine schützende zelluläre Reaktion auf oxidativen Stress, auf die die Krebszellen für ihr Überleben angewiesen sind. Ein fluoreszierendes Derivat der Sonde wurde ebenfalls erfolgreich hergestellt, und zeigte, dass dieses sich im Zellkern von Krebszellen anreichert. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass Sonden auf Goldbasis eine leistungsstarke neue Methode zur Untersuchung von Selenoproteinen darstellen. Sie bietet wichtige Instrumente zur Erforschung ihrer Funktionen bei Gesundheit und Krankheit, insbesondere bei Krebs, wo TXNRD1 und andere Selenoproteine eine entscheidende Rolle spielen und somit auch gezielt in der Wirkstoff-Forschung eingesetzt werden kann. Auffallend war, dass die neuartige Gold(III)-Sonde eine außergewöhnliche Selektivität für das Selenoprotein TXNRD1 im gesamten Zellextrakt zeigte. Zukünftige Arbeiten werden sich mit Selenocystein-spezifischen Sonde zur Anreicherung des gesamten Selenoproteoms befassen.