Das kleine Protein Ubiquitin ist besonders dafür bekannt, Proteine für den Abbau zu markieren, es hat sich aber auch gezeigt, dass es praktisch alle zellulären Prozesse reguliert. Parallel zum Ubiquitin-System haben sich verschiedene andere Ubiquitin-ähnliche Modifikatoren entwickelt, von denen Fubi trotz seiner immunmodulatorischen Aktivität besonders wenig untersucht ist.
Wissenschaftler um Malte Gersch, Forschungsgruppenleiter am Chemical Genomics Center am Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie, haben nun erste molekulare Einblicke in die Maschinerie gewonnen, die die Fubi-kontrollierte Reifung eines Schlüsselproteins des Ribosoms, der Proteinfabrik der Zelle, ermöglicht. Mit Hilfe eines neu entwickelten chemischen Werkzeugsatzes charakterisierten die Forscher, wie zwei deubiquitinierende Enzyme für eine spezifische Fubi-Hydrolase-Aktivität und damit als Fubi-Proteasen auf zweistufige Weise sorgen.
Fubi wird von Zellen als Fusionsprotein mit dem ribosomalen Protein S30 produziert und muss für funktionsfähige Ribosomen durch Proteasen von S30 getrennt werden. In Immunzellen wird dieses Nebenprodukt der Ribosomenproduktion als abgesondertes Signalmolekül genutzt, um beispielsweise die Aktivität des mütterlichen Immunsystems in der Gebärmutter lokal zu reduzieren und so die Einnistung von Embryonen zu ermöglichen. Wie Fubi spezifisch von Proteasen erkannt wird und wie sie es von Ubiquitin unterscheiden, war bisher unbekannt.
Rachel O’Dea und Malte Gersch erläutern ihre Forschung im Detail:
Welche Entdeckung haben Sie gemacht und warum ist sie aufregend?
Unser Team enthüllte, wie zwei deubiquitinierende Enzyme auch als Proteasen des Ubiquitin-ähnlichen Proteins Fubi fungieren können, und gewann molekulare Einblicke, wie dies auf spezifische Weise möglich ist. Dies ist bemerkenswert, da trotz der Ähnlichkeit zwischen Ubiquitin und Ubiquitin-ähnlichen Proteinen die Enzyme, die sie beim Menschen regulieren, normalerweise nicht die gleichen sind.
Wir zeigen, dass diese doppelte Aktivität spezifisch für die beiden Enzyme USP16 und USP36 ist, und unsere kristallographischen Studien erklären mechanistisch, wie diese seltene Kreuzreaktivität erreicht wird. Überraschenderweise haben wir im Gegensatz zu dem, was bei kreuzreaktiven Enzymen von Bakterien oder Viren beobachtet wird, keine zusätzlichen Strukturelemente gefunden, die die zusätzliche Fubi-Aktivität dieser gut charakterisierten Ubiquitin-Proteasen ermöglichen.
Stattdessen wird die Fubi-Erkennung durch ein kleines kryptisches Motiv auf einer komplementären Bindungsoberfläche vermittelt.
Was ist das Besondere an Ihrem entwickelten Toolkit?
Möglicherweise aufgrund seiner anspruchsvollen Aminosäurezusammensetzung wurden Fubi-Proteinwerkzeuge noch nicht zum Werkzeugrepertoire für die Untersuchung von Ubiquitin und Ubiquitin-ähnlichen Proteinen hinzugefügt.
Unsere Arbeit zeigt einfache Ansätze zur Herstellung von Fubi-Werkzeugen, die von anderen Wissenschaftlern auf diesem Gebiet problemlos übernommen werden können. Die hier beschriebenen Sonden und das fluoreszierende Fubi-Substrat bieten ein Mittel zur Beurteilung der Fubi-Radiergummiaktivität sowohl in zellulären als auch in vitro-Umgebungen.
Warum ist Ihre Forschung für die wissenschaftliche Gemeinschaft wichtig?
Unsere Arbeit liefert neue molekulare Erkenntnisse darüber, wie Enzyme Aktivitäten über mehrere Modifikationssysteme hinweg ausüben können. Die Erklärung, wie USP16 und USP36 eine Rolle bei der Reifung ribosomaler Proteine spielen, erweitert unser Verständnis der Mechanismen, die diesen entscheidenden zellulären Prozess regulieren.
Fubi wurde hauptsächlich von Wissenschaftlern aus dem Bereich der Immunologie und in jüngerer Zeit aus dem Bereich der Ribosomen untersucht, und unsere Arbeit, die sich dem Thema mit dem Ubiquitin-Hintergrund nähert, ergänzt diese anderen Arbeiten. Zusammengenommen bilden alle Daten ein zweistufiges Modell für die Fubi-Verarbeitung.
Warum ist Ihre Forschung wichtig für die Gesellschaft?
Aufgrund ihrer schnellen und reversiblen Natur sind posttranslationale Modifikationen wie Ubiquitin und Ubiquitin-ähnliche Proteine entscheidende Regulatoren praktisch aller zellulären Prozesse.
Fubi wird mit immunmodulatorischen Funktionen in Verbindung gebracht und verändert nachweislich Proteine bei Immunstimulationsreaktionen. Das Verständnis der genauen Rolle von Fubi in diesem Prozess wird unser Verständnis darüber erweitern, wie Zellen auf Immunsignale reagieren.
Was sind die nächsten Schritte, die Sie unternehmen werden?
Unsere Erkenntnisse zur Fubi-Erkennung ermöglichen eine einstellbare Fubi-Proteaseaktivität in Zellen und ebnen so den Weg für ein besseres Verständnis der zellulären Rolle dieses rätselhaften Proteins als posttranslationale Modifikation.
Darüber hinaus nutzen wir die Sonden, um die Untersuchung des molekularen Mechanismus zu erleichtern, durch den andere Proteine mit Fubi interagieren. Aber zuerst werden wir feiern.
Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturchemische Biologie.
Mehr Informationen:
Rachel O’Dea et al., Molekulare Basis für Ubiquitin/Fubi-Kreuzreaktivität in USP16 und USP36, Naturchemische Biologie (2023). DOI: 10.1038/s41589-023-01388-1