Anstandsdamen der Zelle: Rolle in Proteinfaltung und bei der

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Jahrbuch 2012/2013 | Hartl, F. Ulrich | Anstandsdamen der Zelle: Rolle in Proteinfaltung und bei der Genese
neurodegenerativer Krankheiten
Anstandsdamen der Zelle: Rolle in Proteinfaltung und bei der
Genese neurodegenerativer Krankheiten
The cell's molecular chaperones: their role in protein folding and in
the development of neurodegenerative disorders
Hartl, F. Ulrich
Max-Planck-Institut für Biochemie, Martinsried
Korrespondierender Autor
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Proteine übernehmen vielfältige essenzielle Aufgaben in allen Zellen. Doch um ihre biologische Funktion
ausüben zu können, müssen sich die kettenartigen Moleküle erst zu komplexen, dreidimensionalen Strukturen
falten. Dieser Prozess w ird durch verschiedene molekulare Chaperone, die Anstandsdamen der Zelle,
vermittelt. Sie verhindern die fehlerhafte Verklumpung von Proteinen, die zu Alzheimerdemenz oder Morbus
Parkinson führen kann. Unsere Forschungsarbeiten leisten einen Beitrag zum besseren Verständnis der Rolle
der Chaperone bei Proteinfaltung und neurodegenerativen Faltungskrankheiten.
Summary
Proteins are synthesized as chains of amino acids. In order to fulfill a w ide variety of biological functions, these
chains must fold into specific three-dimensional patterns. This process of protein folding is mediated in our cells
by molecular chaperones, helper molecules w hich act to prevent the clumping of faulty protein chains into
aggregates. The formation of aggregates is the cause of neurodegenerative disorders, including Alzheimer’s
and Parkinson’s disease. Understanding the role of molecular chaperones w ill help in developing treatments
for these and other diseases.
Proteinfaltung und Aggregation
Eiw eißmoleküle (Proteine) sind die Träger fast aller zellulären Lebensfunktionen. Sie w erden an den
Ribosomen als polymere Ketten aus den 20 Aminosäurebausteinen synthetisiert. Um ihre biologischen
Funktionen ausüben zu können, müssen die neu synthetisierten Proteinketten eine genau definierte
dreidimensionale Konformation einnehmen. Diesen Prozess nennt man Faltung. Er w ird w esentlich durch die
Abkehr hydrophober Aminosäurebereiche vom w ässrigen Milieu, den sogenannten hydrophoben Effekt,
angetrieben, w obei letzten Endes aber die Aminosäuresequenz die endgültige dreidimensionale Form des
Moleküls bestimmt. Erst in den letzten 20 Jahren w urde erkannt, dass Zellen sogenannte molekulare
Chaperone, molekulare Anstandsdamen, enthalten, die den neu synthetisierten Proteinketten bei der Faltung
helfen. Diese Chaperone sind selbst Proteine. Ihre Funktionen sind in allen Zelltypen essenziell [1].
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Zentrale Aufgabe der Chaperone ist die Verhinderung der Proteinaggregation, also der Verklumpung
fehlgefalteter Proteinketten (Abb. 1). Aggregation w ird hauptsächlich über hydrophobe Wechselw irkungen
ausgelöst. Sie ist besonders bei Proteinen mit komplexer Struktur, zum Beispiel bei Mehrdomänenproteinen,
ausgeprägt und w ird durch die hohe Proteinkonzentration in der Zelle (300-400 Gramm pro Liter) begünstigt.
Aggregierte Proteine stören die Zellfunktion in vielfältiger Weise. Ihre Bildung und Ablagerung ist ursächlich mit
neurodegenerativen Krankheiten verbunden.
A bb. 1: Aggre ga tionsproze sse k om pe tie re n m it produk tive r
Fa ltung. Unge fa lte te P rote ine (U) stre be n de m na tiv
ge fa lte te n Zusta nd (N) zu. Da be i e ntste he n
Fa ltungsinte rm e dia te (I). Die Zustä nde U und I k önne n
Aggre ga te bilde n, be sonde rs im dicht ge pa ck te n ze llulä re n
Milie u. Unge ordne te Aggre ga tstruk ture n he rrsche n vor, e s
e ntste he n je doch a uch fibrillä r ge ordne te Aggre ga te (Am yloid)
m it ze llulä re r Tox izitä t, die ursä chlich m it ne urode ge ne ra tive n
Kra nk he ite n ve rbunde n sind. Modifizie rt na ch [2].
© Ma x -P la nck -Institut für Bioche m ie /Ha rtl
Wie funktionieren molekulare Chaperone?
Chaperone verhindern die Aggregation unvollständig gefalteter Proteinketten, indem sie deren exponierte
hydrophobe Aminosäuresegmente abschirmen. Da diese Regionen nach erfolgreicher Faltung im Inneren des
Proteins verborgen sind, interagieren die Chaperone in der Regel nur so lange, bis der gefaltete, native,
Zustand erreicht ist. Die Chaperone können also genau zw ischen ungefalteten und gefalteten Proteinen
unterscheiden, und dies bei vielen verschiedenen Proteine. Um eine produktive Faltung zu gew ährleisten,
müssen die Chaperone ihre Klienten allerdings auch w ieder loslassen können. Dies geschieht oft in einer ATPabhängigen Reaktion und mit Hilfe regulierender Kofaktoren. Für die Faltung neu synthetisierter Proteine im
Zytosol sind zw ei Klassen von Chaperonen von besonderer Bedeutung, die Komponenten der Hsp70 Familie
und die zylindrischen Chaperonine [2].
Teamarbeit bei der Proteinfaltung
Prinzipiell unterscheiden w ir bei der Faltung neu synthetisierter Proteine zw ei Chaperonfunktionen. Kleine
Chaperone - zu ihnen zählen Komponenten w ie Hsp70 - binden an die naszierenden Ketten, sobald sie aus
dem Ribosom austreten. Ihre Aufgabe besteht darin, Ketten voneinander abzuschirmen (Abb. 2). In
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Zusammenarbeit
mit
der
Forschungsgruppe
von
Wolfgang
Baumeister
konnte
mit
Hilfe
der
Kryoelektronenmikroskopie gezeigt w erden, dass eine besondere Organisationsform der Ribosomen die
Wahrscheinlichkeit der Aggregation noch zusätzlich reduziert. Die Ribosomen sind dabei dicht gepackt und so
organisiert, dass die Austrittsöffnungen für naszierende Proteinketten den maximal möglichen Abstand
zueinander einnehmen [3].
A bb. 2: W e ge de r P rote infa ltung im Zytosol be i Ba k te rie n und
Euk a ryonte n. Kle ine C ha pe rone wie de r Trigge rfa k tor (TF) und
die Kom pone nte n de s Hsp70-Syste m s (Da nK/Dna J in
Ba k te rie n, Hsp70/Hsp40 in Euk a ryonte n) inte ra gie re n m it
na szie re nde n P rote ink e tte n a n de n R ibosom e n und schirm e n
hydrophobe Se gm e nte a b. In Euk a ryonte n wird die Funk tion
von TF m ögliche rwe ise durch de n Fa k tor NAC e rse tzt. In
be ide n Syste m e n we rde n e twa 10-15% de r P rote ine zur
Fa ltung a n zylindrische C ha pe ronine (GroEL in P rok a ryonte n,
TR iC in Euk a ryonte n) we ite rge le ite t. GroEL k oope rie rt m it de m
Kofa k tor GroES, wä hre nd TR iC von e ine m solche n Fa k tor
una bhä ngig ist. Die TR iC Funk tion ist m it de m P roze ss de r
Tra nsla tion durch da s C ha pe ron P re foldin (P DF) ge k oppe lt,
da s sowohl m it na szie re nde n P rote ink e tte n wie a uch m it TR iC
inte ra gie rt. In Euk a ryonte n nutze n P rote ine de r
Signa ltra nsduk tion (Kina se n) da s C ha pe ron Hsp90 zur Fa ltung
und k onform a tione lle n R e gula tion. N, na tiv ge fa lte te s P rote in.
Modifizie rt na ch [2].
Hsp70-Chaperone bestehen aus zw ei funktionelle Domänen, eine N-terminale ATPase-Domäne und eine Cterminale Peptidbindungs-Domäne. Der Zugang in die Peptidbindetasche w ird durch ein verstellbares ahelikales Segment reguliert, dessen Position von der ATPase-Domäne gesteuert w ird. Im ATP gebundenen
Zustand ist die Tasche offen, w ährend sie im ADP-Zustand geschlossen ist. Die ATP Hydrolyse an Hsp70 w ird
durch den Kofaktor Hsp40 stark beschleunigt, w as zum Schließen der Peptidbindetasche führt. Ein Nukleotid
Austauschfaktor (NEF; GrpE in Bakterien) löst dann die Dissoziation des gebundenen ADP aus, w oraufhin
erneute ATP Bindung die Freisetzung der Proteinkette induziert und den Reaktionszyklus abschließt. In jedem
Bindezyklus w ird dem Proteinsubstrat die Gelegenheit zur Faltung, das heißt zum Verbergen hydrophober
Bereiche gegeben. Ist dies erfolgreich, so erfolgt keine Rückbindung an Hsp70. Im anderen Fall durchläuft die
naszierende Kette einen w eiteren Bindezyklus.
Das Hsp70 Chaperon nimmt in fast allen Zelltypen eine zentrale Stellung bei der Proteinfaltung ein. Besonders
stark aggregationsgefährdete Proteine sind jedoch auf die Hilfe der Chaperonine angew iesen.
Chaperonine - Nanokäfige für die Proteinfaltung
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Die Chaperonine (Hsp60) gehören zu den faszinierendsten ATP getriebenen molekularen Maschinen. Sie bilden
Hohlkomplexe, die ein einzelnes, noch ungefaltetes Protein in ihrer zentralen Kammer einschließen und ihm
somit die Faltung unter Bedingungen erlauben, bei denen Aggregation ausgeschlossen ist (Abb. 3). Dieser
Mechanismus ist am besten für das bakterielle Chaperonin GroEL und seinen Kofaktor GroES verstanden [1].
A bb. 3: P rote infa ltung im GroEL-GroES Kä fig. Da s
Substra tprote in wird ge bunde n a n Hsp70 a nge lie fe rt und
binde t a ls Fa ltungsinte rm e dia t a n die a pik a le n Dom ä ne n de s
offe ne n GroEL-R ings. In e ine m ATP a bhä ngige n Schritt binde t
soda nn GroES übe r die R ingöffnung und schlie ßt da s
Substra tprote in e in. Die s ge ht e inhe r m it e ine r
Konform a tionsä nde rung de s GroEL, wodurch sich de sse n
Inne nra um ve rgröße rt und se ine physik a lische n Eige nscha fte n
von hydrophob na ch hydrophil ä nde rn. Da s Substra tprote in
ble ibt für ca . 10 Se k unde n im Kä fig e inge schlosse n, die Ze it,
die be nötigt wird, um 7 ATP Mole k üle a m GroEL-R ing zu ADP
und P i um zuse tze n. W ä hre nd die se r Ze it ist da s P rote in fre i,
sich zu fa lte n. Die Bindung von ATP a m ge ge nübe rlie ge nde n
GroEL-R ing führt da nn zur Dissozia tion de s GroES, de r Kä fig
öffne t sich und da s Substra t wird fre ige se tzt. Unvollstä ndig
ge fa lte te s P rote in binde t zurück a n GroEL und durchlä uft e ine n
we ite re n Fa ltungszyk lus.
GroEL besteht aus zw ei heptameren Ringen aus 60 kDa Untereinheiten, die Rücken an Rücken
aufeinandergestapelt sind. Die Ringöffnung exponiert hydrophobe Aminosäurereste für die Bindung
ungefalteter Proteine. GroES ist ein heptamerer Ring aus 10 kDa Untereinheiten, der sich w ie ein Deckel auf
die Ringöffnung des GroEL legt. GroES bindet bevorzugt an nur einen der Ringe, und zw ar an denjenigen, der
das Proteinsubstrat enthält. Dieser Schritt führt zum Einschluss des gebundenen Proteins in der zentralen
Kavität des GroEL. Diese nimmt sodann die Funktion eines Faltungskäfigs an, der Proteine bis zu einer Größe
von 60 kDa aufnehmen kann [1]. Das Substratprotein bleibt für etw a 10 Sekunden eingeschlossen, die Zeit,
die für die Hydrolyse der 7 ATP Moleküle im GroEL-Ring benötigt w ird. Erst danach kann die ATP-Bindung am
gegenüberliegenden Ring die GroES-Dissoziation und Ringöffnung auslösen. Ein bereits gefaltetes Protein w ird
freigesetzt, w ährend unvollständig gefaltete Moleküle rückgebunden w erden und erneut einen Faltungszyklus
durchlaufen.
Es ist leicht zu verstehen, w ie dieser Mechanismus die Proteinfaltung unter Ausschluss der Aggregation
gew ährleistet. GroEL-GroES stellt sozusagen ein Mini-Reagenzglas für ein einzelnes Molekül dar. Unsere
neueren Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass dieses Modell unvollständig ist, denn das Reagenzglas
ist eher ein Nano-Käfig, in den das sich faltende Protein sozusagen eingezw ängt w ird. Dies hat eine Änderung
der Energielandschaft der Faltungsreaktion zur Folge, w obei die räumliche Einengung zur bevorzugten Bildung
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kompakter Formen führt. Tatsächlich kann der Einschluss in den Faltungskäfig zu einer erheblichen
Beschleunigung der Faltung im Vergleich zur Spontanfaltung in freier Lösung führen [4, 5].
Rolle der Chaperone bei neurodegenerativen Faltungskrankheiten
Trotz aufw ändiger Proteinqualitätskontrolle entstehen in unseren Zellen ständig fehlerhafte Proteine. Die
Fehlfaltung und Aggregation von Proteinen w ird zunehmend als die Ursache w ichtiger Erkrankungen erkannt.
Hierzu gehören eine Reihe altersabhängiger neurodegenerativer Syndrome w ie Morbus Alzheimer, Parkinson
und Chorea Huntington. Ihr zentrales zellpathologisches Merkmal ist die Bildung und Ablagerung von fibrillären
Proteinaggregaten, sogenanntem Amyloid, im Gehirn, entw eder innerhalb oder außerhalb der Zellen (Abb. 4).
Ihre Bildung ist untrennbar mit Toxizitätsphänomenen verbunden, deren exakte Mechanismen noch nicht
verstanden sind.
A bb. 4: Ve rhinde rung de r pa thologische n P rote ina ggre ga tion
durch pha rm a k ologische C ha pe rona k tivie rung. Sä uge rze lle n
(link s), die da s Kra nk he itsprote in von C hore a Huntington in
fluore sze nzm a rk ie rte r Form synthe tisie re n, e ntha lte n große
Aggre ga te (grün) ne be n de m Ze llk e rn (bla u). Be ha ndlung de r
Ze lle n m it ste ige nde n Konze ntra tione n von Ge lda na m ycin
(GA; 18 nM bzw. 180 nM) führt zur Ak tivie rung de r C ha pe rone
und Ve rhinde rung de r Aggre ga tion. Da s fluore szie re nde
P rote in ist nun gle ichm ä ßig übe r die ge sa m te Ze lle ve rte ilt.
Modifizie rt na ch [9].
W ir haben uns zunächst der Frage zugew andt, w arum es trotz des Vorhandenseins der Chaperone zu
toxischen Proteinaggregaten kommen kann. Interessanterw eise konnten w ir zeigen, dass insbesondere
Chaperone der Hsp70 Familie durchaus in der Lage sind, die pathologische Proteinaggregation zu verhindern
[6, 7]. Sie agieren dabei in der Frühphase der Aggregation, indem sie die sogenannte Nukleation der
Aggregate verhindern [6]. Dies w ird aber nur beobachtet, w enn die Chaperone aktiviert und in ausreichender
zellulärer Konzentration vorliegen (vgl. Abb. 4). Das neurodegenerative Aggregationsphänomen scheint sich
also als Konsequenz einer unzureichenden Chaperonkapazität zu manifestieren. Tatsächlich deuten neuere
Befunde darauf hin, dass es im Rahmen des Alterungsprozesses zu einer Abnahme der Funktionalität der
Chaperone kommt [1]. Dies dürfte erklären, w arum die genannten neurodegenerativen Krankheiten
altersabhängig auftreten.
Eine w eitere zentrale Frage betrifft die Mechanismen, durch die die Aggregate Zelltoxizität auslösen. W ir
haben uns diesem Problem unter Verw endung eines systematischen Ansatzes gew idmet. Dabei w urde
insbesondere die Hypothese getestet, dass die toxischen Aggregate – oder ihre oligomeren Vorstufen –
andere zelluläre Proteine koaggregieren und auf diese Weise deren Funktion stören. W ir konnten mit Hilfe
quantitativer Proteomikmessungen zeigen, dass die Aggregate, neben verschiedenen Chaperonen, mit
zahlreichen (ca. 100) endogenen Proteinen interagierten [8]. Diese Proteine sind zumeist verschiedenen
Schlüsselfunktionen der Zellregulation zuzuordnen. Die Toxizität der Aggregate beruht also, zumindest zum
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Teil, auf ihrer Fähigkeit, multiple Proteine zu sequestrieren und somit funktionell zu inhibieren.
Ausblick
Bei der w eiteren Erforschung der Proteinfaltung w ird es darauf ankommen, W issen und Analysemethoden aus
verschiedenen
Disziplinen
zusammenzuführen. Zunehmend
w erden
w ir in
der Lage
sein, raffinierte
biophysikalische Techniken zur zeitaufgelösten Analyse der Proteinkonformation auf zelluläre Verhältnisse
anzuw enden mit dem Fernziel, Einzelmoleküle w ährend der Synthese und Faltung in der Zelle verfolgen zu
können. Eine große Herausforderung im medizinischen Bereich besteht darin, die Struktureigenschaften von
Proteinaggregaten zu entschlüsseln, die
ihnen toxische
Eigenschaften verleihen. Die
Aufklärung der
molekularen Mechanismen neurodegenerativer Krankheiten ist besonders in den Industriestaaten mit
alternder Bevölkerungsstruktur von großer Dringlichkeit. Anlass zu Optimismus geben Befunde, nach denen
das zelleigene Chaperonsystem zur Aggregationsverhinderung pharmakologisch aktiviert w erden kann ([9];
Abb. 4).
Literaturhinweise
[1] Hartl, F. U; Bracher, A.; Hayer-Hartl, M.
Molecular chaperones in protein folding and proteostasis
Nature 475, 324-332 (2011)
[2] Hartl, F. U; Hayer-Hartl, M.
Molecular chaperones in the cytosol: from nascent chain to folded protein
Science 295, 1852-1858 (2002)
[3] Brandt, F.; Etchells, S. A.; Ortiz, J. O.; Elcock, A. H.; Hartl, F. U.; Baumeister, W.
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Chaperonin-catalyzed rescue of kinetically trapped states in protein folding
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Cellular toxicity of polyglutamine expansion proteins: mechanism of transcription factor deactivation
Molecular Cell 15, 95-105 (2004)
w w w .mpg.de
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[7] Behrends, C.; Langer, C. A.; Boteva, R.; Böttcher, U. M.; Stemp, M. J.; Schaffar, G.; Rao, B. V.; Giese,
A.; Kretschmar, H.; Siegers, K.; Hartl, F. U.
Chaperonin TRiC promotes the assembly of polyQ expansion proteins into nontoxic oligomers
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[8] Olzscha, H.; Schermann, S. M.; Woerner, A. C.; Pinkert, S.; Hecht, M. H.; Tartaglia, G. G.; Vendruscolo,
M.; Hayer-Hartl, M.; Hartl, F. U.; Vabulas, R. M.
Amyloid-like aggregates sequester numerous metastable proteins with essential cellular functions
Cell 144, 67-78 (2011)
[9] Sittler, A.; Lurz, R.; Lueder, G.; Priller, J.; Lehrach, H.; Hayer-Hartl, M. K.; Hartl, F. U.; Wanker, E. E.
Geldanamycin activates a heat shock response and inhibits huntingtin aggregation in a cell culture model
of Huntington's disease
Human Molecular Genetics 10, 1307-1315 (2001)
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