Rationelles Arbeiten auf kleinem Raum - Neue Einblicke in die Architektur zellulärer Proteinfabriken

Um je nach Anforderung die verschiedensten Proteine (Eiweiße) zu erzeugen, besitzt jede Zelle ihren eigenen Maschinenpark: Bestimmte Enzym-Komplexe - die Ribosomen - produzieren als zelluläre Proteinfabriken im Sekundentakt neue Proteine. Als Baupläne dienen dabei Botenmoleküle aus dem Zellkern. Damit möglichst viele Proteine auf einmal gebildet werden können, schließen sich meist mehrere Ribosomen zu einem zellulären „Industriekomplex“, dem Polysom, zusammen, und lesen gleichzeitig dasselbe Botenmolekül ab. Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Biochemie gelang es nun erstmals, die dreidimensionale Struktur von Polysomen aufzuklären und zu zeigen, dass deren Form und Funktion ineinander greifen: Wie die Forscher in der hoch angesehenen Fachzeitschrift Cell berichten, sind die Ribosomen in der Regel so angeordnet, dass die erzeugten Proteine den größtmöglichen Abstand voneinander wahren, um sich nicht ineinander zu verheddern und falsch zu falten – bisher glaubte man, Fehlfaltungen würden nur durch spezialisierte Proteine - die Chaperone - verhindert. Weiterhin ermöglicht die räumliche Struktur der Polysomen, dass das Botenmolekül geschützt und wie am Fließband auf möglichst kurzem Weg von einem Ribosom zum nächsten weiter gereicht wird – die Architektur der zellulären Proteinfabriken ermöglicht somit einen optimierten Arbeitsablauf und steigert die Effizienz der Proteinfaltung (Cell 23.1.2009).

In jedem Protein reihen sich mehrere Hundert oder Tausend Aminosäuren aneinander, die in den Ribosomen in einer bestimmten Reihenfolge verknüpft werden. Die Bauanleitung für die einzelnen Proteine bringt ein fadenförmiges Botenmolekül, die mRNA (messenger RNA) von der DNA im Zellkern zu den Ribosomen. Diese tasten die mRNA Schritt für Schritt ab und übersetzen die genetische Information in die Aminosäure- Sequenz der Proteine: Ist ein Abschnitt abgelesen und die entsprechende Aminosäure in die Kette eingefügt, rückt das Botenmolekül weiter und die nächste Aminosäure folgt. Damit der Vorgang besonders effizient abläuft und aus einer mRNA zahlreiche Proteine erzeugt werden, reihen sich in der Zelle mehrere Ribosomen zu einem sogenannten Polysom aneinander: Im Polysom läuft die mRNA wie am Fließband von einem Ribosom zum nächsten, sodass mehrere Proteine gleichzeitig entstehen. Wie diese Ribosomen-Kette im Detail aussieht, war bisher noch nicht bekannt.

Ein Kooperationsprojekt unter der gemeinsamen Leitung von Wolfgang Baumeister, Direktor der Abteilung Molekulare Strahlenbiologie, und Ulrich Hartl, Direktor der Abteilung Zelluläre Biochemie, nutzten nun die in Martinsried entwickelte Technik der Kryo-Elektronentomographie, um die Architektur dieser molekularen Fabriken sichtbar zu machen.

Die Kryo-Elektronentomographie ist ein Verfahren mit dem dreidimensionale Strukturen der Zelle direkt untersucht werden können. Der Trick: Die gesamte Zelle bzw. einzelne Zellbestandteile werden blitzartig „schockgefroren“, sodass deren räumliche Struktur erhalten bleibt. Anschließend werden aus vielen verschiedenen Blickwinkeln zweidimensionale elektronenmikroskopische Bilder des Objekts aufgenommen, aus denen dann ein dreidimensionales „Bild“ rekonstruiert wird.

Die Untersuchungen zeigten, dass die Ribosomen im Polysom dicht gepackt vorliegen und sich so anordnen, dass bestimmte Bauteile – die sogenannten kleinen Untereinheiten – sich zum Inneren des Polysoms hin ausrichten und einander zugewandt sind. Dabei nehmen sie bevorzugt zwei Konfigurationen ein: Entweder liegen die Ribsomen gegeneinander versetzt in einer Ebene (die Untereinheiten liegen „Kopf-an-Kopf“), oder sie sind um 180° gegeneinander verdreht (die Untereinheiten liegen „Kopf-an-Ende“). In beiden Fällen liegen der mRNA Aus- bzw. Eingang benachbarter Ribosomen nah zusammen, sodass das Botenmolekül ohne große Umwege von einem Ribosom zum nächsten gelangt. Sind alle Ribosomen eines Polysoms in der „Kopf-an-Kopf“-Konfiguration einander zugewandt, entsteht eine ausgeprägte schraubenartige Struktur. Bei abwechselnder Anordung mit der „Kopf-an-Ende“-Konfiguration ergibt sich eine flächige Polysomenstruktur (siehe Abbildung).

Das Ablesen der mRNA, die wichtige Übertragung der genetischen Information in die Struktur der Proteine, erfolgt geschützt im Innenraum des Polysoms während sowohl die „Eingänge“ durch die die Aminosäuren zu dem Ort in den Ribosomen gelangen, an dem sie verknüpft werden, als auch die „Ausgänge“ für die fertigen Proteine dem Zellraum zugewandt und so leicht erreichbar sind.

„Wir haben mit unserer Strukturaufklärung gezeigt, dass die Anordnung der Polysomen dafür sorgt, dass die in benachbarten Ribosomen erzeugten Proteine den größtmöglichen Abstand voneinander einhalten. So wird verhindert, dass sich neu entstehende Proteine miteinander „Verheddern“ und Verklumpen“, erklärt Hartl, der für seine Forschung zu Proteinfaltungs-Mechanismen bereits mit zahlreichen Preisen geehrt wurde. Die bisherige Annahme, hauptsächlich bestimmte Proteine – sogenannte Chaperone - wären dafür zuständig, erscheint vor dem Hintergrund dieser Ergebnisse in einem neuen Licht: Möglicherweise dienen sie weniger dazu, ein Zusammenklumpen im Polysom gebildeter Proteine zu verhindern – hiervor schützt ja schon der strukturell bedingte Abstand zwischen den Proteinsträngen - als vielmehr dem Zweck, fehlerhafte Faltungen innerhalb eines Proteins zu vermeiden und ein Zusammenklumpen mit Proteinen die in anderen Polysomen gebildet wurden, zu verhindern – ein Fehler der in der vollgestopften zellulären Umgebung, wo Polysomen dicht an dicht auftreten, leicht passieren könnte.

Originalpublikation:

Florian Brandt, Adrian H. Elcock, Stephanie A. Etchells, Julio O. Ortiz, F. Ulrich Hartl and Wolfgang Baumeister: The Native 3D Organization of Bacterial Polysomes. Cell (23.1.2009), DOI 10.1016/j.cell.2008.11.016.

Kontakt:

Florian Brandt

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Dr. Monika Gödde

Öffentlichkeitsarbeit

Max-Planck-Institut für Biochemie

Am Klopferspitz 18

82152 Martinsried

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