Wie „riskante“ Aminosäuren die Verlängerung in der Proteinsynthese unterbinden

Das Leben hängt von der genauen Funktion mehrerer Proteine ​​ab, die in Zellen von Ribosomen synthetisiert werden. Dieser vielfältige Satz von Proteinen, bekannt als Proteom, wird durch die robuste Translationsverlängerung von Aminosäuresequenzen, die in den Ribosomen stattfindet, aufrechterhalten. Die Translationsmechanismen, die dafür sorgen, dass entstehende Ketten von Polypeptiden – lange Ketten von Aminosäuren – verlängert werden, ohne dass sie sich lösen, sind in allen lebenden Organismen konserviert. Die Dehnungsraten sind jedoch nicht konstant. Die Verlängerung wird oft durch Wechselwirkungen zwischen positiv geladenen entstehenden Polypeptiden und negativ geladener ribosomaler RNA unterbrochen.

Studien haben ergeben, dass in prokaryotischen Escherichia coli-Zellen die entstehenden Peptidketten nicht nur den Elongationsprozess stören, sondern auch die Ribosomen selbst destabilisieren. Diese Art der vorzeitigen Beendigung der Translation wird als intrinsische Ribosomen-Destabilisierung (IRD) bezeichnet. Beweise zeigen, dass IRD hauptsächlich durch entstehende Peptide mit N-Termini ausgelöst wurde, die reich an Asparagin- und Glutaminsäuresequenzen sind. Da Übersetzungsmechanismen konserviert sind, begannen sich die Forscher zu fragen, ob ein ähnliches Phänomen in den Zellen eukaryotischer Organismen wie Pflanzen, Pilze und Tiere beobachtet werden könnte.

Kürzlich gelang es einem Forscherteam aus Japan unter der Leitung von Prof. Hideki Taguchi vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), einige Antworten auf diese Frage zu geben. In ihrer kürzlich veröffentlichten Studie in Naturkommunikationverwendet das Team angehende Hefezellen und ein rekonstituiertes zellfreies Translationssystem, um das IRD-Phänomen in Eukaryoten zu untersuchen.

„Frühere Studien haben den Einfluss von Asparaginsäure- und Glutaminsäuresequenzen auf die bakterielle ribosomale Translation untersucht. Es dreht sich jedoch nicht viel um eukaryotische Zellen. Also haben wir einen eukaryotischen Organismus wie Hefe ausgewählt, um die vorzeitige Beendigung der Translation zu untersuchen und ob es irgendwelche Mechanismen gibt präsentieren, um IRD entgegenzuwirken“, erklärt Prof. Taguchi, einer der korrespondierenden Autoren der Studie.

Das Team entdeckte, dass ähnlich wie bei Bakterien entstehende Peptidketten, die in ihren N-terminalen Regionen mit Asparaginsäure (D) oder Glutaminsäure (E) angereichert sind, zu einem Abbruch der Translation in den Hefezellen durch IRD führten. Sie fanden auch heraus, dass die Akkumulation der Peptidyl-tRNAs das Zellwachstum in Hefen hemmte, denen Peptidyl-tRNA-Hydrolase, ein essentielles zelluläres Enzym, fehlte.

„Die von IRD produzierten Peptidyl-tRNAs werden durch Peptidyl-tRNA-Hydrolase gespalten, die die Peptidyl-tRNAs außerhalb des Ribosomenkomplexes recycelt. Die Akkumulation dieser abortiven Peptidyl-tRNAs ist toxisch, da Hefen, denen das Enzym fehlt, nicht wachsen können, wenn IRD-anfällige Sequenzen sind überexprimiert“, sagt Prof. Taguchi.

Die vom Team durchgeführte bioinformatische Analyse zeigte jedoch eine einzigartige Möglichkeit, wie Hefezellen das IRD-Risiko reduzieren. Sie fanden heraus, dass die Proteome eine voreingenommene Aminosäureverteilung aufwiesen, wobei der Translationselongationsprozess die Aminosäuresequenzen mit D/E-Läufen in ihrer N-terminalen Region benachteiligte.

Diese Studie liefert neue Einblicke in die Elongationsdynamik eukaryotischer Zellen und die entgegenwirkenden Mechanismen, die vorhanden sind, um Translationsdefekte während der Proteinsynthese zu reduzieren. „Das Verständnis der Faktoren, die den gesamten Aminosäureverbrauch in Proteomen beeinflussen, kann uns helfen, die Expression rekombinanter Proteine ​​zu verbessern. Dies ist für die Produktion nützlicher Proteine, die klinische und industrielle Anwendungen haben können, unerlässlich“, schließt Prof. Taguchi.