Neue Untersuchungsmethode gibt Aufschluss über Proteinentstehung

23 December 2011

Forscherteam der Universität Heidelberg und des Deutschen Krebsforschungszentrums legt Grundstein für die Untersuchung von ,,Faltungshelfern"

Graphisches Modell der molekularen Struktur des bakteriellen Chaperons Trigger Faktor (blau), gebunden am Ribosom (grau). Die Graphik wurde erstellt mit Hilfe des Programms Pymol.

Mit einer neu entwickelten Untersuchungsmethode haben Heidelberger Molekularbiologen neue Erkenntnisse über die Entstehung von Proteinen gewonnen. Die Wissenschaftler um Bernd Bukau und Günter Kramer von der DKFZ-ZMBH-Allianz, einer Forschungsallianz zwischen dem Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg (ZMBH) der Universität und dem Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ), entwickelten zusammen mit Jonathan Weissman von der University of California in San Francisco das „selective ribosome profiling“. Diese Methode, die für einen speziellen „Faltungshelfer“ (molekulare Chaperone) entwickelt wurde, ermöglicht es, das Protein-Produktionsprofil einer Zelle zu ermitteln und die Beteiligung der Chaperone bei der Faltung neusynthetisierter Proteine zu analysieren. „Diese neuen Erkenntnisse ermöglichen erstmals ein molekulares Verständnis dafür, wie die in kurzer Zeit zu erfüllenden Reifungs- und Faltungsprozesse von neu synthetisierten Proteinen so koordiniert werden, dass die beteiligten Faktoren sich nicht gegenseitig beeinträchtigen“, erklärt Bukau. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Cell“ veröffentlicht.

Proteine werden als lange Ketten aufeinanderfolgender Aminosäuren hergestellt, die eine bestimmte dreidimensionale Struktur annehmen – also sich falten – müssen, damit das Protein funktionsfähig ist. Eine falsche Faltung kann die betroffenen Zellen schädigen und zu neurodegenerativen Erkrankungen wie zum Beispiel Parkinson führen. Um die korrekte Faltung von Proteinen zu gewährleisten, besitzt jede Zelle eine spezielle Klasse von Faktoren, die als molekulare Chaperone bezeichnet werden. Diese stellen sicher, dass die Struktur vorhandener Proteine erhalten bleibt und dass Proteine, die gerade neu hergestellt werden, die richtige Struktur bilden. Wie diese Hilfestellung der Chaperone genau funktioniert, ist allerdings noch unklar.

Mit Hilfe des „selective ribosome profiling“ konnten die Wissenschaftler um Bukau und Kramer nun das Protein-Produktionsprofil einer Zelle ermitteln und die Beteiligung des bakteriellen Chaperons Trigger Faktor bei der Faltung neu-synthetisierter Proteine analysieren. Dazu wurden aktive Ribosomen – die Entstehungsorte von Proteinen – isoliert und mit Hilfe von Hochdurchsatz-Sequenzierung ermittelt, welches Protein zu diesem Zeitpunkt hergestellt wird und ob Trigger Faktor dieses Protein in seiner Faltung unterstützt. „Wir konnten zum ersten Mal das komplette Spektrum neu-synthetisierter Proteine identifizieren, das von einem Chaperon bei der Faltung begleitet wird“, erläutert Kramer.

Es zeigte sich, dass Trigger Faktor mit der Mehrheit der Proteine der Zelle – weit über 1.000 verschiedene Spezies – noch während ihrer Synthese in tritt. Dabei bindet Trigger Faktor nicht jede wachsende Aminosäurekette mit gleicher Effizienz, sondern wählt seine Bindepartner hauptsächlich basierend auf deren zukünftigem Bestimmungsort innerhalb der Zelle aus. „Tatsächlich konnte eine neue Klasse von Substraten identifiziert werden, die von Trigger Faktor stärker als alle bisher bekannten Substrate gebunden wird“, erklärt Kramer. Dabei handelt es sich um Porenproteine der äußeren Zellmembran von Escherichia coli, die hauptsächlich für den Transport von Stoffen durch die Zellhülle verantwortlich sind.

Das „selective ribosome profiling“ ermöglicht zudem eine präzise Bestimmung des Zeitpunkts, an dem das Chaperon an das Ribosom und die wachsende Aminosäurekette bindet. „Entgegen der etablierten Sicht bindet Trigger Faktor nicht sofort an die aus dem Ribosom herauswachsende Aminosäurekette, sondern mit einer deutlichen Verzögerung. Diese verspätete Bindung des wachsenden Proteins schafft wiederum ein Zeitfenster für weitere Faktoren, etwa Enzyme, die ebenfalls wichtige Funktionen bei der Reifung des Proteins übernehmen“, erläutert Bukau. Die Methode des „selective ribosome profiling“ wurde speziell für das Chaperon Trigger Faktor entwickelt, kann aber leicht auf die Untersuchung anderer Chaperone aus Zellen höherer Organismen bis hin zum Menschen übertragen werden. „Damit ist ein wichtiger Grundstein gelegt für eine detailliertere Untersuchung der Funktion molekularer Chaperone bei der Faltung neusynthetisierter Proteine“, erklärt Bukau.

Originalpublikation:
E. Oh, A. Becker, A. Sandikci, D. Huber, R. Chaba, F. Gloge, R. Nichols, A. Typas, C. Gross, G. Kramer, J. Weissman, B. Bukau: Selective Ribosome Profiling Reveals the Cotranslational Chaperone Action of Trigger Factor In Vivo. Cell (2011), doi: 10.1016/j.cell.2011.10.044

 
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