Entschlüsselung der Molekulardynamik komplexer Proteine

Welche Strukturen nehmen komplexe Proteine ​​in Lösung an? Konstanzer Biophysiker beantworten diese Frage am Beispiel von Ubiquitin-Dimeren sowie einer neuen Kombination aus hochauflösender NMR-Spektroskopie und anspruchsvollen Computersimulationen.

Proteine ​​bestehen aus Aminosäuren, die entsprechend unserem Erbgut zu langen Aminosäureketten verknüpft sind. In unseren Zellen sind diese Ketten nicht einfach wie Perlenketten aufgerollt, sondern falten sich zu komplexen, dreidimensionalen Strukturen. Wie ein Protein gefaltet wird, hat entscheidenden Einfluss auf seine Funktion: Es bestimmt beispielsweise, mit welchen anderen Molekülen ein Protein in der Zelle interagieren kann. Kenntnisse über die dreidimensionale Struktur von Proteinen sind daher für die Lebenswissenschaften von großem Interesse und spielen unter anderem bei der Arzneimittelentwicklung eine Rolle.

„Leider ist die Aufklärung der Struktur eines Proteins alles andere als trivial und die Fokussierung auf einen einzelnen Zustand liefert nicht immer aussagekräftige Informationen, insbesondere wenn das Protein hinsichtlich seiner Struktur sehr flexibel ist“, sagt Tobias Schneider, Mitglied von Michael Kovermann Laborteam im Fachbereich Chemie der Universität Konstanz.

Der Grund: Komplexe Proteine ​​falten sich oft in mehrere kompakte Untereinheiten, sogenannte Domänen, die wiederum durch flexible Linker verbunden sein können. Je flexibler verbundene Untereinheiten vorhanden sind, desto mehr unterschiedliche dreidimensionale Strukturen kann ein Protein theoretisch annehmen. „Das bedeutet, dass ein Protein in Lösung, beispielsweise in unseren Zellen, mehrere gleiche Zustände besitzt und ständig zwischen diesen wechselt“, erklärt Schneider.

Dem baulichen Ensemble auf der Spur

Eine einfache Momentaufnahme reicht nicht aus, um die Strukturmerkmale solcher Multidomänenproteine ​​vollständig zu beschreiben, da sie jeweils nur einen von vielen Zuständen erfassen würde. Um ein detailliertes Bild der möglichen Strukturen solcher Proteine ​​zu erhalten, ist eine geschickte Kombination verschiedener Methoden erforderlich. In einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel StrukturKonstanzer Biophysiker um Michael Kovermann und Christine Peter (ebenfalls Fachbereich Chemie) stellen einen entsprechenden Ansatz mit komplementären Methoden vor.

„Durch die NMR-Spektroskopie erhalten wir beispielsweise Informationen über die dynamischen Eigenschaften solcher Proteine. Komplexe Computersimulationen hingegen geben einen guten Überblick über die Bandbreite möglicher Faltungen“, erklärt Kovermann. „Bisher gab es keinen allgemeinen Ansatz, der die dynamischen und strukturellen Eigenschaften von Multidomänenproteinen umfassend abbildet.“

Die Konstanzer Forscher haben daher einen Workflow entwickelt, der NMR-Spektroskopie und Computersimulationen kombiniert und es ihnen ermöglicht, Informationen über beide Eigenschaften mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung zu erhalten.

Machbarkeitsnachweis inklusive

Den Beweis dafür, dass die Methode funktioniert, lieferten die Forscher auch: Sie untersuchten verschiedene Ubiquitin-Dimere. Diese bestehen aus zwei Einheiten des Proteins Ubiquitin, die wie in Zellen durch eine flexible Bindung verbunden sind. Es handelt sich somit um ein Paradebeispiel für ein Multidomänenprotein, für das bisher unterschiedliche Strukturmodelle vorgeschlagen wurden und das von großem wissenschaftlichen Interesse ist.

Die Forscher konnten zeigen, dass die von ihnen untersuchten Ubiquitin-Dimere eine hohe Strukturvariabilität aufweisen und diese mit der entwickelten Methodenkombination detailliert beschrieben werden kann. Die Ergebnisse erklären auch die unterschiedlichen Strukturmodelle, die derzeit für Ubiquitin-Dimere existieren.

„Wir sind davon überzeugt, dass unser Ansatz – die Kombination komplementärer Methoden – nicht nur für Ubiquitin-Dimere, sondern auch für andere Multidomänenproteine ​​​​funktionieren wird“, sagt Schneider. „Unsere Studie eröffnet neue Wege, um die hohe strukturelle Vielfalt dieser komplexen Proteine, die eine entscheidende Rolle in ihren biologischen Funktionen spielt, besser zu verstehen.“