Im Stoffwechsel von Zellen fallen aggressive Sauerstoffverbindungen an, die Proteine oder DNA schädigen können. Um diese Sauerstoffverbindungen abzufangen, verwenden Zellen das Peptid Glutathion. Ein Team aus Forschenden des FIAS und der Universität Zürich entwickelte einen neuartigen Sensor, der in kleinsten Zellstrukturen die Glutathionkonzentration messen kann. Der Sensor ermöglicht eine genaue Beobachtung des wichtigen Moleküls in Zellorganellen und unterstützt die Erforschung damit zusammenhängender Krankheiten.

Glutathion ist ein kleines Peptid aus drei Aminosäuren. Es spielt eine Schlüsselrolle bei der Entgiftung von aggressiven Sauerstoffverbindungen und ist außerdem an der Signalübertragung in Zellen beteiligt. Es liegt in den Zellen in einem fein tarierten Gleichgewicht aus freiem Glutathion und gebundenem Pärchen (Dimer) vor. Störungen im Glutathionhaushalt der Zelle treten bei Krebs, Diabetes und neurodegenerativen Erkrankungen auf.

Um den Glutathionhaushalt und die damit zusammenhängenden Krankheitsauslöser besser zu verstehen, sind Methoden nötig, die die Glutathion-Menge in Zellorganellen messen. Bisher werden fluoreszierende Proteine oder kleine Moleküle als Sensoren verwendet, die mit den Glutathion-Molekülen reagieren. Insbesondere die Messung in ausgewählten Zellorganellen hat allerdings verschiedene Schwächen – unter anderem muss der Sensor die Zellflüssigkeit durchqueren und kann dabei bereits mit Glutathion reagieren.

Ein Team aus Forschenden der Universität Zürich (Schweiz) und des FIAS um Sebastian Thallmair hat nun einen Glutathion-Sensor entwickelt, der in lokalen Bereichen der Zelle aktiviert wird und somit eine zuverlässige Messung der Glutathion-Konzentration innerhalb der Organellen erlaubt. Die Forschenden nutzten dafür eine Kombination aus Protein und Silizium-Rhodamin(SiR)-Farbstoff. Dessen Fluoreszenz wechselt von „Aus“ zu „An“, sobald er an das Protein HaloTag bindet (Abbildung, obere Zeile). Da das HaloTag-Protein in ein gewünschtes Zellorganell gebracht werden kann, bevor es mit dem SiR-Farbstoff reagiert, kann der Sensor gezielt in einzelnen Zellorganellen eingesetzt werden.

Dieser hybride Sensor kombiniert die Vorteile genetisch kodierter Sensoren, etwa die Zielgenauigkeit, mit der Abstimmbarkeit, Helligkeit und Photostabilität von kleinen Molekülen. Das Forschungsteam bezeichnet diese neue Konstruktion als „zielgerichtete ratiometrische quantitative Glutathion“-Sonde (targetable ratiometric quantitative Glutathion, TraQ-G). Anders als bisherige Methoden reagiert die Sonde nur in dem Organell von Interesse.

TraQ-G kann zudem mit einem Redox-unempfindlichen fluoreszierenden Protein verknüpft werden. Dies ermöglicht die quantitative Bestimmung der Glutathionkonzentration in lebenden Zellen. Die Forschenden zeigen, dass die Glutathion-Mengen im Zellkern und in der Zellflüssigkeit während der Zellteilung unabhängig voneinander reguliert werden (Abbildung, untere Zeile).

Die Thallmair-Gruppe am FIAS simulierte die Kombination des HaloTag-Proteins mit verschiedenen SiR-Farbstoffen, um deren Flexibilität und Reaktivität mit Glutathion genauer zu verstehen. Die experimentellen Arbeiten führte die Gruppe von Pablo Rivera-Fuentes (Universität Zürich) durch. „Gemeinsam wollen wir das Verhalten des Sensors weiter verbessern,“ beschreibt Sebastian Thallmair die künftigen Pläne des Teams. Außerdem wollen sie das Konzept erweitern, um verbesserte Fluoreszenzsensoren für andere zentrale Moleküle im zellulären Stoffwechsel zu entwickeln.

 

Publikation:

Sarah Emmert, Gianluca Quargnali, Sebastian Thallmair und Pablo Rivera-Fuentes, A locally activatable sensor for robust quantification of organellar glutathione, Nature Chemistry (2023). https://doi.org/10.1038/s41557-023-01249-3

 

Abbildung: Ein neuartiger Sensor hilft bei der Erforschung von Glutathion, das bei einigen Krankheiten eine Rolle spielt: Reagiert der Farbstoff mit Glutathion, verliert er seine Fluoreszenz (oben). Der Sensor zeigt, dass sich die Glutathion-Konzentration im Zellkern im Laufe einer Zellteilung verändert (unten).  - Abbildung zur Verwendung im Zusammenhang mit dieser Pressemitteilung.

 

 

Kontakt:

Dr. Sebastian Thallmair, thallmair_at_fias.uni-frankfurt.de

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