Die Nanoporentechnik zeigt den Transportmechanismus von Chaperonproteinen auf Einzelmolekülebene

Proteine ​​steuern die meisten Körperfunktionen und ihre Fehlfunktion kann schwerwiegende Folgen wie neurodegenerative Erkrankungen oder Krebs haben. Daher verfügen Zellen über Mechanismen zur Kontrolle der Proteinqualität.

In tierischen und menschlichen Zellen sind Chaperone der Hsp70-Klasse das Herzstück dieses Kontrollsystems und überwachen eine Vielzahl biologischer Prozesse. Doch trotz ihrer entscheidenden Rolle ist der genaue molekulare Mechanismus der Hsp70-Chaperone jahrzehntelang unklar.

Mithilfe einer hochmodernen Nanoporen-Einzelmolekültechnik ist einem Team der Universität Genf (UNIGE) in Zusammenarbeit mit der EPFL nun ein bedeutender Durchbruch bei der Bestimmung gelungen, wie Hsp70-Chaperone die Kraft erzeugen, die zur Manipulation der Struktur ihrer Klientenproteine ​​erforderlich ist . Diese Ergebnisse, die einer jahrzehntelangen Debatte ein Ende setzen, sind veröffentlicht In Naturkommunikation.

Proteine ​​müssen sich in bestimmte dreidimensionale Formen falten, um richtig zu funktionieren. Chaperonproteine ​​wie Hsp70 unterstützen unter anderem typischerweise die korrekte Faltung von Proteinen. Um diese Aufgaben erfolgreich zu erfüllen, müssen Hsp70 die Struktur der Proteine ​​gewaltsam manipulieren, indem sie sie aus Aggregaten extrahieren, die sich spontan gebildet haben, oder indem sie die Proteintranslokation in wichtige Zellkompartimente wie Mitochondrien erleichtern.

In diesem Zusammenhang gab es in den 1990er und frühen 2000er Jahren eine intensive Debatte über den Mechanismus, der es Hsp70-Chaperonen ermöglicht, die Proteintranslokation voranzutreiben. Dabei wurden zwei Hauptmodelle vorgeschlagen, die auf unterschiedlichen Versuchsreihen basierten, auf die es jedoch keine endgültige Antwort gab.

Im Jahr 2006 wurde von Prof. Paolo De Los Rios von der EPFL und Prof. Pierre Goloubinoff von der Universität Lausanne (UNIL) und ihren Mitarbeitern eine neue Theorie namens „Entropic Pulling“ vorgeschlagen. Entropisches Ziehen könnte alle bestehenden Beobachtungen zur Proteintranslokation in Mitochondrien erklären und könnte auch auf die anderen zellulären Funktionen von Hsp70s angewendet werden, wie beispielsweise die Proteindisaggregation.

Experimentelle Beweise

Im Laufe der Jahre ermöglichte diese Theorie die Interpretation einer wachsenden Zahl von Ergebnissen, blieb jedoch ohne direkte experimentelle Bestätigung.

Die Gruppe von Chan Cao, neuer Assistenzprofessor in der Abteilung für anorganische und analytische Chemie an der Fakultät für Naturwissenschaften der UNIGE, ist auf die Bioanalyse einzelner Moleküle, insbesondere den Nachweis von Nanoporen, spezialisiert. Bei diesem innovativen Ansatz wird die Reaktion des Ionenstroms als einzelnes Molekül interpretiert, das durch eine nanoskalige Pore wandert, bei der es sich entweder um eine biologische Proteinanordnung handeln kann, die in eine Lipidmembran eingebettet ist, oder um ein hergestelltes Festkörpermaterial.

Die Entwicklung der Nanoporentechnologie zielt darauf ab, hochauflösende Sensoren zur Erkennung von Zielmolekülen in komplexen Matrizen und zur Sequenzierung von Biopolymeren zu schaffen.

In der jüngsten Arbeit nutzte das Team die Nanoporentechnologie, um den In-vivo-Aufbau der Proteintranslokation auf Einzelmolekülebene nachzuahmen. Prof. Chan Cao erklärte: „Unsere Ergebnisse liefern klare Beweise für den Entropie-Pulling-Mechanismus von Hsp70-Chaperonen und schließen die beiden anderen zuvor vorgeschlagenen Modelle aus, nämlich Power Stroke und Brownian Ratchet.“

Eine starke Kraft auf molekularer Ebene

Beim entropischen Pulling-Mechanismus vergrößert das Chaperon durch Ziehen am Zielprotein dessen Bewegungsbereich und erzeugt so eine sogenannte entropische Kraft. Verena Rukes, Ph.D. Student und Hauptautor der Studie erklärt: „Unsere Analyse schätzte die Stärke des entropischen Ziehens auf etwa 46 pN über Entfernungen von 1 nm, was auf eine bemerkenswert starke Kraft auf molekularer Ebene hinweist.“

Prof. Paolo De Los Rios vom Institut für Physik und Bioingenieurwesen der EPFL erklärt: „Unsere 2006 vorgeschlagene Theorie erklärte den Großteil der Physik des Systems aus Hsp70, dem Translokationsprotein und der Translokationspore, aber letztendlich.“ , blieb es eine Theorie, auch wenn sie indirekt mit den meisten Beobachtungen übereinstimmte.

„Dank der großartigen Arbeit von Prof. Chan Cao und ihrem Team haben wir jetzt einen direkten Beweis dafür und, was am wichtigsten ist, eine quantitative Schätzung seiner Stärke, die sich als bemerkenswert hoch herausstellt, was weiter erklärt, warum Hsp70 so sind.“ wirksam bei der Veränderung der Struktur ihrer Zielproteine.

Wichtig ist, dass diese Forschung Nanoporen-Ansätze als leistungsstarke Einzelmolekültechnik zur Erforschung der molekularen Mechanismen der Proteinwirkung etabliert.