Wenn ein Zytokin (grün) an Rezeptoren (blaugrün) bindet, kommen zwei Teile des Janus-Kinase-Proteins (rosa) zusammen und aktivieren es, um Signale innerhalb einer Zelle zu senden. Bei einigen Krebsarten blockieren Mutationen in der Kinase diese und halten sie abnormal aktiv. Bildnachweis: Eric Smith/Chris Garcia/Howard Hughes Medical Institute
Der Durchbruch gelang am Geburtstag des Molekularbiologen Christopher Garcia.
Seit mehr als 20 Jahren verfolgten sein Team und andere auf der ganzen Welt eine schwer fassbare Karriere – die 3D-Struktur eines entscheidenden Signalproteins in Zellen. Ende 2021 begannen seine elektronenmikroskopischen Aufnahmen des Moleküls Gestalt anzunehmen. Am 8. Dezember schickten ihm Postdoc Naotaka Tsutsumi und Doktorand Caleb Glassman per E-Mail ein überraschend klares Bild des Proteins, das an einen Schlüsselrezeptor gebunden war. „Ich saß in einem Meeting und stellte fest, dass wir es hatten“, erinnert sich Garcia, ein Forscher am Howard Hughes Medical Institute der Stanford University. „Ich habe das Meeting sofort verlassen und bin ins Labor gerannt.“
Glassman, der gerade für ein Postdoc in Harvard nach Boston gezogen war, sagte seine geplante Reise ins Hinterland ab und eilte nach Stanford. „Ich wollte zu Ende bringen, was Naotaka und ich begonnen hatten“, erklärt er. Dann arbeiteten die drei Forscher rund um die Uhr daran, die vollständige Struktur des als Janus-Kinase bekannten Proteins zu definieren, und schlugen konkurrierende Labore für die Entdeckung. „Es war ein großartiges Pferderennen zwischen vielen großartigen Gruppen auf der ganzen Welt, und wir sprinteten bis zur Ziellinie“, sagte Garcia. Am 26. Dezember schickten sie ein Manuskript an die Zeitung Wissenschaftdie das Werk am 10. März 2022 veröffentlicht haben.
Garcias Team entdeckte nicht nur die vollständige Struktur eines lebenswichtigen Signalmoleküls, sondern auch den Wirkmechanismus dieser Kinasen, was „eine grundlegende Frage in der Biologie“ war, sagt John O’Shea, Immunologe an den National Institutes of Health, der geholfen hat eines der ersten Medikamente zur Blockierung der Janus-Kinase-Funktion entwickelt und war nicht an der neuen Forschung beteiligt. Da Proteine bei Krankheiten verderben können, könnten die Erkenntnisse zu neuen und besseren Medikamenten für bestimmte Krebsarten führen. „Es ist eine erstaunliche Arbeit“, sagt O’Shea.
Zerkleinern
Januskinasen gehören zu den Kommunikationsgenies im Tierreich. Sie nehmen Signale von äußeren Zellen auf und leiten die Informationen an Moleküle im Inneren weiter. Wissenschaftler wissen seit Jahren, dass fehlerhafte Janus-Kinasen Krankheiten verursachen können. Bestimmte Mutationen, die Janus-Kinasen verändern, können die Fähigkeit des Körpers, Infektionen zu bekämpfen, dramatisch reduzieren und einen Zustand verursachen, der praktisch mit der „Bubble-Boy-Krankheit“ identisch ist. Und wenn genetische Probleme und übertriebene Signale Kinasen zu stark stimulieren, können Blutkrebs wie Leukämie und allergische oder Autoimmunerkrankungen die Folge sein.
Die Forscher kannten die Form bestimmter Teile der Proteine, einschließlich der verwandten enzymatischen und regulatorischen Regionen am Ende des Moleküls, was ihnen den Namen Janus-Kinasen einbrachte, nach dem mythologischen römischen Gott mit den zwei Gesichtern. Und ausgefeilte Arzneimittelscreenings haben Moleküle entdeckt, die diese Proteine hemmen, und geben Ärzten eine Möglichkeit, bestimmte Krebsarten und Erkrankungen wie rheumatoide Arthritis zu behandeln. Aber Wissenschaftler haben die Medikamente entwickelt, ohne die vollständige Struktur der Moleküle zu kennen oder wie sie aktiviert werden. Daher sind die meisten der derzeitigen Arzneistoffe von fast einem Dutzend Medikamente, plus andere in klinischen Studien, relativ stumpfe Instrumente, die sowohl gesunde als auch mutierte Janus-Kinasen blockieren. Sie können immer noch viele Krankheiten behandeln, aus[{“ attribute=““>eczema to COVID-19, but also can cause a range of side effects.
Garcia wanted a more detailed view of the proteins but, as he learned when he first tried to image the molecules as a postdoc in 1995, it was a daunting challenge. The kinases are notoriously difficult to make in the lab. And they don’t easily form crystals, which scientists need to capture 3D structures using x-ray crystallography. So, for many years, Garcia and others could only view bits of the kinases at a time. “We kept chipping away without much to show for it,” he says.
In the last few years, the pieces began to fall into place. One key advance was a method called cryo-EM, where scientists freeze samples and then view them using an electron microscope. Another was the choice by Garcia’s team to study a mouse Janus kinase rather than a less stable human one. They also introduced a common cancer-causing mutation into the mouse kinase, which stabilized the molecule even further.
Lighting a fire
Garcia’s team’s work reveals the structure of a Janus kinase called JAK1 and outlines the steps it uses to sends signals within cells.
First, receptor proteins stud cell membranes, poking from the inner and outer surfaces of the cell like a toothpick through a sandwich. Then, a single Janus kinase inside the cell attaches to the receptors, waiting for a signal. Next, molecules called cytokines approach the cell’s exterior, each binding to two receptors. The cytokines act like a bridge that pulls the two receptors even closer, Garcia explains. That brings the active ends of the Janus kinase together, switching them on. Like a match lighting a fire, the kinase relays a signal that tells genes to turn on or off.
The structure also reveals how the cancer-causing mutation short-circuits this messaging chain – by gluing two parts of the Janus kinase together. That causes the two active regions to stay switched on even when there are no outside cytokines, sparking uncontrolled activity that can trigger cancers.
Garcia hopes the new results could help scientists design better drugs that target only defective Janus kinases, allowing healthy versions to keep performing their normal duties. The work, he says, is an example of an “ideal situation in science, where solving a basic problem also has direct relevance for disease.”
Reference: “Structure of a Janus kinase cytokine receptor complex reveals the basis for dimeric activation” by Caleb R. Glassman, Naotaka Tsutsumi, Robert A. Saxton, Patrick J. Lupardus, Kevin M. Jude and K. Christopher Garcia, 10 March 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.abn8933