Wie werden Proteine ​​in der Zelle sortiert? Forschungsteam löst dieses jahrzehntealte Rätsel

Forscher lösen das über 25 Jahre alte Rätsel, wie Proteine ​​in der Zelle sortiert werden. Ein als NAC (nascent polypeptide-associated complex) bekannter Proteinkomplex dient als „Gatekeeper“ bei der Proteinsynthese und reguliert den Transport von Proteinen innerhalb der Zelle. Den molekularen Mechanismus hinter dieser Funktion haben Konstanzer Zell- und Molekularbiologen nun in einem internationalen Verbundprojekt aufgeklärt.

Für die Aufrechterhaltung unserer Zellfunktionen ist es unabdingbar, dass Proteine ​​bereits während ihrer Synthese zu verschiedenen Zielorten innerhalb der Zelle – in Analogie zu den Organen unseres Körpers als „Zellorganellen“ bezeichnet – transportiert werden. Doch wie kann man verschiedene Transportziele unterscheiden und verhindern, dass Proteine ​​die falschen Organellen erreichen? Ein internationales Forscherteam hat nun herausgefunden, wie dieser komplexe Prozess auf molekularer Ebene für ein wichtiges zelluläres Ziel gesteuert wird – den Transport entstehender Proteine ​​zu einem Membrannetzwerk der Zelle, dem endoplasmatischen Retikulum.

In ihrer aktuellen Veröffentlichung in der Zeitschrift WissenschaftDabei konnten die Forscher zeigen, dass ein in Fachkreisen als NAC bekannter Proteinkomplex, der vor mehr als 25 Jahren entdeckt wurde, eine entscheidende Rolle bei diesem Prozess spielt: Wie ein Torwächter sorgt NAC dafür, dass nur Proteine ​​mit dem endoplasmatischen Retikulum als Ziel gelangen an den Proteintransporter SRP (Signal Recognition Particle) weitergegeben. SRP vermittelt dann den Transport der „Fracht“ zum angegebenen Bestimmungsort. Hat ein naszierendes Protein hingegen einen anderen Bestimmungsort als das endoplasmatische Retikulum, verweigert der Gatekeeper NAC dem Proteintransporter SRP den Zugang.

Proteinfabrik

Unter Verwendung des genetischen Materials als Bauplan werden jede Minute Tausende und Abertausende neuer Proteine ​​in den Zellen unseres Körpers produziert. Diese Proteinproduktion findet in den Ribosomen statt, den zellulären „Fabriken“ unseres Körpers, wo einzelne Aminosäuren – die Bausteine ​​von Proteinen – zu langen Aminosäureketten zusammengesetzt werden. Die entstehenden Proteine ​​können später verschiedenste Funktionen übernehmen und dementsprechend unterschiedliche Ziele innerhalb der Zelle haben. Geeignete Sortiermechanismen sorgen daher häufig bereits während der Proteinproduktion dafür, dass die Proteine ​​zuverlässig ihren jeweiligen Ort innerhalb der Zelle erreichen.

Bisher war bekannt, dass zwei Proteinkomplexe, das bereits erwähnte NAC und SRP, eine wichtige Rolle beim gezielten Transport von naszierenden Proteinen zum endoplasmatischen Retikulum spielen. SRP ist das eigentliche „Transportprotein“, das den Kontakt der naszierenden Proteine ​​zusammen mit dem Ribosom zum endoplasmatischen Retikulum herstellt. Es erkennt ein spezifisches Transportsignal, das im neu synthetisierten Protein kodiert ist. Allerdings gibt es ein Problem: SRP bindet unspezifisch auch an Ribosomen, die kein Signal für das endoplasmatische Retikulum haben.

„Unkontrolliert würde SRP an jedes Ribosom in der Nähe binden und es dann zum endoplasmatischen Retikulum transportieren, unabhängig davon, ob gerade ein Protein mit diesem Ziel produziert wird oder nicht. Dies würde zu unzähligen Fehllieferungen führen, die die Funktion und Lebensfähigkeit stark beeinträchtigen würden der Zelle“, erklärt Elke Deuerling, eine der Seniorautorinnen der aktuellen Studie und Professorin für Molekulare Mikrobiologie an der Universität Konstanz. Die Forscher schließen daraus, dass es eine Kontrollinstanz gibt, die genau das verhindert: den Gatekeeper NAC.

Dem molekularen Mechanismus auf der Spur

Wie genau NAC auf molekularer Ebene verhindert, dass SRP unspezifisch an irgendein Ribosom bindet und stattdessen dafür sorgt, dass nur die richtigen Ribosomen zum endoplasmatischen Retikulum transportiert werden, war bisher unklar. Dieser Frage sind die Konstanzer Biologen in ihrer aktuellen Studie gemeinsam mit Kollegen der ETH Zürich (Schweiz), des MRC Laboratory of Molecular Biology (LMB, Cambridge, UK) und der California Institutes of Technology (Caltech, Pasadena, USA) nachgegangen.

Dazu simulierten sie zunächst die Vorgänge in der Zelle, indem sie im Reagenzglas gereinigte Ribosomen mit NAC und SRP vermischten. Anschließend wurde die Mischung bei unter -150 Grad Celsius schockgefroren und die Probe unter einem Elektronenmikroskop untersucht – eine Methode, die als Kryoelektronenmikroskopie bekannt ist. Dies ermöglichte es den Strukturbiologen Dr. Ahmad Jomaa und Dr. Viswanathan Chandrasekaran, Co-Autoren der Studie, aufzudecken, wie NAC vor und nach der Frachtübertragung auf SRP an Ribosomen bindet. Dies war ein wichtiger Eckpfeiler zur Aufklärung des Gatekeeper-Mechanismus, der Übergang zwischen den Zuständen blieb jedoch unklar.

„Der Übergang ist ein hochdynamischer Prozess, der mit der Kryoelektronenmikroskopie nicht sichtbar gemacht werden kann“, erklärt Dr. Martin Gamerdinger, einer der Erstautoren von der Universität Konstanz. Um diesen Prozess zu verstehen, führten er und sein Team, die Doktorandinnen Annalena Wallisch und Zeynel Ulusoy, hochauflösende biochemische Bindungsstudien durch, die den Interaktionsmechanismus von NAC auf Ribosomen in Abhängigkeit von der Art des synthetisierten Proteins im Detail enthüllten.

NAC als Gatekeeper

Mit dieser Methode und der computergestützten Rekonstruktion der 3D-Strukturen sowie Experimenten von Dr. Hao-Hsuan Hsieh zur Bindungsstärke zwischen den beteiligten Komponenten gelang es den Forschern, die Funktionsweise von NAC auf molekularer Ebene zu entschlüsseln. Basierend auf ihren Ergebnissen konnten sie einen detaillierten molekularen Mechanismus für die Sortierfunktion von NAC vorschlagen.

Demnach bindet NAC an das Ribosom, und zwar genau an den Abschnitt, an dem das naszierende Protein die „Eiweißfabrik“ verlässt. Wie ein Torwächter sitzt ein Teil von NAC schützend vor diesem Ausgang, dem ribosomalen Tunnel, und verweigert SRP den Zugang zum Ribosom und dem entstehenden Protein. Der Zugang wird erst gewährt, wenn eine Transportsignalsequenz für das endoplasmatische Retikulum – kodiert im entstehenden Protein – im Zuge der Proteinsynthese den Tunnel verlässt. NAC erkennt dieses Signal und ändert seine Position auf dem Ribosom. Auf diese Weise wird der Ausgang des ribosomalen Tunnels freigegeben und SRP kann nun an den Tunnelausgang andocken, nachdem es aktiv über einen „Greiferarm“ von NAC, dh die UBA-Domäne, an das Ribosom rekrutiert wurde. Nach SRP-Bindung und Signalsequenztransfer wird das Ribosom zusammen mit dem naszierenden Protein zum endoplasmatischen Retikulum transportiert.

„Unsere Studie zeigt die molekulare Funktion von NAC als Torwächter, der SRP nur für solche naszierenden Proteine ​​zugänglich macht, deren Ziel das endoplasmatische Retikulum ist“, fasst Professorin Elke Deuerling diesen grundlegenden Kontrollmechanismus zusammen. Sie ist sich mit ihren internationalen Kooperationspartnern Professor Nenad Ban (ETH Zürich, Schweiz), Professor Shu-ou Shan (Caltech, USA) und Professor Ramanujan Hegde (MRC-LMB, UK) einig: „Zukünftige Studien müssen zeigen, ob NAC auch hat andere Kontrollfunktionen am ribosomalen Tunnel.“