Neue Forschung entschlüsselt einen Hauptregulator der Proteinproduktion

Proteine ​​gehören zu den wichtigsten molekularen Bausteinen des Lebens. Sie selbst sind aus Aminosäuren aufgebaut, die auf Grundlage der Informationen unseres Erbguts miteinander verknüpft werden. Dabei wird der genetische Code in eine Aminosäurenfolge übersetzt. Diese Übersetzung ist jedoch nur der erste Schritt. Oftmals verändern spezielle Enzyme die neuen (entstehenden) Proteine, wenn sie ihren zellulären Produktionsort – das Ribosom – verlassen. Erst danach können die Proteine ​​ihre vielfältigen biologischen Funktionen erfüllen.

Wie diese Enzyme zusammenarbeiten, um entstehende Proteine ​​am Ribosom zu modifizieren, und wie ihre Aktivität reguliert und koordiniert wird, ist bislang noch nicht vollständig verstanden. Nun hat ein internationales Forscherteam von Caltech, der Universität Konstanz und der ETH Zürich den komplexen molekularen Mechanismus für zwei aufeinanderfolgende Proteinmodifikationen entschlüsselt, die etwa 40 % aller Proteine ​​bei Säugetieren betreffen. Der Star der Show, so etwas wie eine molekulare Schaltzentrale, ist ein relativ kleiner Chaperon-Proteinkomplex namens NAC (nascent polypeptide-associated complex).

Ohne NAC werden alle möglichen Stressreaktionen ausgelöst, die dazu führen, dass Proteine ​​falsch gefaltet oder an die falschen Stellen im Körper geschickt werden.

„Das essentielle Chaperon NAC ist an einer Vielzahl von Prozessen beteiligt oder daran beteiligt. Es war schwer zu verstehen, warum ein einziger kleiner Proteinkomplex, der sehr einfach aussieht, all diese verschiedenen Prozesse beeinflussen sollte“, sagt Shu-ou Shan, Altair-Professor für Chemie am Caltech, leitender Mitarbeiter für Biochemie und Molekularbiophysik und korrespondierender Autor eines neuen Artikels, der die Arbeit beschreibt.

„Aber jetzt beginnen wir, das Gesamtbild von NAC als übergeordnetem Hauptregulator der Proteinproduktion in der Zelle zu erkennen. Es ist klar geworden, dass NACs Aufgabe darin besteht, verschiedene Biogenesefaktoren an das Ribosom zu rekrutieren und sie mit den entsprechenden neu entstehenden Proteinen zu koppeln, die gerade synthetisiert werden.“

Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Journal Natur.

Essenziell für die normale Zellfunktion

In der neuen Arbeit konzentrieren sich die Forscher auf zwei Modifikationen, die NAC orchestriert – die Entfernung der ersten Aminosäure, Methionin, aus dem wachsenden Protein, gefolgt von der Anfügung einer sogenannten Acetylgruppe an das verbleibende Ende.

Beide Prozesse finden am Ausgang des ribosomalen Tunnels statt, also an der Stelle, wo die Proteine ​​während der Synthese als wachsende Kette von Aminosäuren das Ribosom verlassen. Diese Veränderungen sind für die Mehrzahl unserer Proteine ​​essentiell, da sie zahlreiche Proteineigenschaften wie etwa ihre dreidimensionale Faltung, Lebensdauer oder Interaktion mit anderen Proteinen und damit die ordnungsgemäße Funktion der Proteine ​​beeinflussen.

„Eine Fehlregulierung der Prozesse, die an der Proteinmodifizierung beteiligt sind, kann äußerst negative Folgen für den Organismus haben. Sie wird beispielsweise mit Entwicklungsstörungen oder Krankheiten wie Krebs und Parkinson in Verbindung gebracht“, erklärt Elke Deuerling, Professorin für Molekulare Mikrobiologie an der Universität Konstanz und Autorin der neuen Arbeit.

Der Mechanismus im Detail

Das Zeitfenster, in dem die Methioninspaltung und die anschließende Acetylierung reibungslos ablaufen, ist recht kurz. In dieser Zeit müssen mehrere Enzyme an die richtige Stelle gebracht und reguliert werden: MetAP1, das die Methioninspaltung bewirkt, und NatA für die anschließende Acetylierung.

NatA wird jedoch normalerweise von einem Hemmprotein namens HYPK gebunden, das seine Funktion unterdrückt. Durch die Kombination biochemischer, struktureller und in vivo-Experimente ist es den Caltech-Forschern und ihren Mitarbeitern nun gelungen, Licht in die Steuerung dieses komplexen Prozesses und die Interaktion der beteiligten Makromoleküle zu bringen.

NAC befindet sich am Ausgang des ribosomalen Tunnels, wo neu synthetisierte Proteine ​​entstehen. Von dort rekrutiert es sowohl MetAP1 als auch NatA und positioniert sie mit ihren biochemisch aktiven Regionen an den entsprechenden Stellen in der Nähe des Tunnelausgangs, um auf das entstehende Protein zuzugreifen.

„Zudem bewirkt NAC, dass NatA seinen hemmenden Kontakt mit HYPK verliert. Dadurch wird sichergestellt, dass die Funktion von NatA nur am Ribosom aktiviert wird, wo es dann die gewünschte Acetylierung vermitteln kann“, sagt Shan.

Shans Labor entwickelte die Werkzeuge, die diese wesentlichen Rollen von NAC in der NatA-Funktion aufdeckten und die Grundlage für die weitere Aufklärung der Struktur von NAC bildeten, das mit NatA und HYPK an ein Ribosom gebunden ist.

„Synchronisierte Ribosomen mit definierter Kettenlänge und -zusammensetzung herzustellen und diese in biophysikalischen Mengen zu erhalten, ist schwierig“, sagt Shan. „Meine Gruppe hat viele Jahre daran gearbeitet, Werkzeuge zu entwickeln, mit denen wir Fluoreszenzfarbstoffe gezielt in ein entstehendes Protein am Ribosom einbauen konnten. So konnten wir die Interaktion und Rekrutierung dieser Enzyme feststellen.“

Frühere Studien zeigten, dass NAC neben den Enzymen MetAP1 und NatA auch andere Faktoren zum Ribosomtunnel rekrutiert.

„Wir gehen davon aus, dass NAC die Funktion einer noch komplexeren molekularen Schaltzentrale hat“, sagt Martin Gamerdinger, Koautor der Studie, ebenfalls von der Universität Konstanz. „Es sorgt dafür, dass die entstehenden Proteine ​​beim Verlassen des Ribosoms je nach Bedarf auf unterschiedliche Komponenten des biochemischen Werkzeugkastens der Zelle zugreifen können.“

Die aktuelle Studie zeigt, wie NAC diese wichtige Funktion im konkreten Fall der Methioninspaltung mit anschließender Acetylierung erfüllt. Sie liefert Wissenschaftlern ein klareres Verständnis davon, wie Fehlregulationen der an der Proteinmodifizierung beteiligten Komponenten zur Krankheitsentstehung führen können. Langfristig könnte dies als Grundlage für die Entwicklung neuer Therapieansätze in der Medizin dienen.

Weitere Caltech-Autoren des Artikels „NAC leitet einen ribosomalen Multienzymkomplex für die Verarbeitung entstehender Proteine“ sind Alfred M. Lentzsch und Sowmya Chandrasekar. Denis Yudin, Alain Scaiola und Nenad Ban sind Co-Autoren von der ETH Zürich.