Menschliche Membranproteine ​​erreichen ein evolutionäres Gleichgewicht

Zellen sind durch Membranen unterteilt, und Proteine, die in diesen Membranen vorhanden sind, spielen eine wichtige Rolle beim Transport von Zellinformationen. Damit diese Proteine ​​ordnungsgemäß funktionieren, muss durch den korrekten Faltungsprozess eine tertiäre Proteinstruktur gebildet werden. In einer Studie veröffentlicht in Naturchemische Biologiewurde der Faltungsprozess eines Glukosetransporters – eines komplexen Membranproteins – erstmals mit einer magnetischen Einzelmolekülpinzette identifiziert.

Unter Verwendung des Membranproteinkomplexes (EMC) des endoplasmatischen Retikulums (ER) und eines Lipidmoleküls mit einer spezifischen Struktur wurde der Faltungsweg eines Glukosetransporters in einer physiologischen Umgebung vollständig aufgeklärt. Durch die Bioinformatik wurde auch entdeckt, dass die strukturbildende Fähigkeit des Membranproteins und seine Fähigkeit, Glukose zu transportieren, im Laufe seiner Evolutionsgeschichte ein Gleichgewicht gefunden haben müssen.

Obwohl die Strukturen vieler Membranproteine ​​– einschließlich Glukosetransporter – bereits durch jüngste Fortschritte in der Strukturbiologie wie der Kryo-Elektronenmikroskopie aufgedeckt wurden, bleibt der Faltungsweg, auf dem die Strukturen dieser Membranproteine ​​​​gebildet werden, fast vollständig unbekannt. Bereits 2019 berichtete das Forschungsteam Wissenschaft dass die Faltungswege von Membranproteinen mit einer magnetischen Pinzette aufgedeckt werden können, was das weltweit erste Mal ist, dass der Faltungsweg eines Membranproteins aufgedeckt wurde.

Mit einer magnetischen Pinzette kann man Kraft auf ein einzelnes Protein ausüben und so die Struktur eines Proteins vollständig entfaltet. Wenn die aufgebrachte Kraft dann verringert wird, ist es außerdem möglich, den Prozess der Rückfaltung des freigesetzten Proteins in seine ursprüngliche gefaltete Form zu beobachten (Abbildung 1,2).

Glukosetransportproteine ​​sind, wie der Name schon sagt, eine Gruppe von Proteinen, die einen Weg besitzen, durch den Glukose passieren kann. Glukosetransportwege sind funktionell essentiell, aber diese Wege wirken auch als Hindernisse bei der Bildung der Tertiärstrukturen von Membranproteinen. Zellen haben verschiedene Helfer, um diese Schwierigkeiten zu lösen. In dieser Studie wurde festgestellt, dass das EMC – eine Art Protein-Chaperon – sowie einzigartig strukturierte Lipidmoleküle zusammenarbeiten, um den Glukosetransporter bei seiner Strukturbildung zu unterstützen.

Insbesondere wurde bestätigt, dass die Domäne, die der Hälfte der am N-Terminus lokalisierten Glukosetransporterproteine ​​entspricht, stabilere Strukturbildungen im Vergleich zu den Proteinen der nachfolgenden C-Terminus-Domäne enthielt (Abbildung 2). Mithilfe von Bioinformatik wurde festgestellt, dass diese Eigenschaft von Glukosetransporterproteinen in allen Zuckertransporterproteinen von Metazoen konserviert ist (Abbildung 3). Aus diesen Beobachtungen kann geschlossen werden, dass die Zelle ein Gleichgewicht in ihrer Struktur finden musste, indem sie einen Teil ihrer Fähigkeit zur Strukturbildung opferte, um funktionell überlegene Membranproteine ​​zu erhalten, indem hochfunktionelle Chaperone oder einzigartig strukturierte Lipidmoleküle entwickelt wurden.