Proteinfaltung – auf das richtige Tempo kommt es an Protein folding

Jahrbuch 2015/2016 | Leidel, Sebastian A. | Proteinfaltung – auf das richtige Tempo kommt es an
Proteinfaltung – auf das richtige Tempo kommt es an
Protein folding – why speed matters
Leidel, Sebastian A.
Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin, Münster
Korrespondierender Autor
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Proteine sind die Arbeitstiere aller Zellen und funktionieren nur, w enn sie richtig gefaltet sind. Forscher
konnten durch Messungen zeigen, dass die richtige Geschw indigkeit bei der Herstellung darüber entscheidet,
ob die Faltung stimmt. Funktionieren diese Prozesse nicht richtig, verklumpen die Proteine. In Mäusen führt
das
zu Entw icklungsdefekten, da
ihre
Hirnzellen ein falsches
Differenzierungssignal empfangen. Die
Experimente beantw orten eine grundlegende Frage der Molekularbiologie und haben Konsequenzen für die
Erforschung einiger degenerativer Erkrankungen und für die Biotechnologie.
Summary
Proteins are the w orkhorses of our cells. To fulfill their roles they need to adopt a functional conformation.
Scientists have now experimentally determined how fast proteins are made and have show n that the correct
speed is critical for functional folding. Perturbing translation leads to protein aggregates. This can cause
severe developmental defects in mice. Their brain cells receive the w rong differentiation signal due to protein
stress. These results answ er a fundamental question of molecular biology and have far reaching
consequences for neurodegenerative diseases and biotechnology.
W ie w erden die Proteine einer Zelle hergestellt? Um die Frage zu beantw orten, stellen Sie sich zunächst am
besten die Fertigungsstraße einer modernen Autofabrik vor. Verschiedene Maschinen führen eine Vielzahl von
Arbeitsschritten in einer festgelegten Reihenfolge und einem genau abgestimmten Rhythmus aus. Nur durch
dieses perfekte Zusammenspiel entsteht am Ende ein fehlerfreies Auto, das auch nach vielen Jahren noch
fährt. Ganz ähnlich funktioniert im menschlichen Körper die Herstellung der Proteine, der Arbeitstiere aller
Zellen. Die sogenannten Ribosomen, große Komplexe aus Proteinen und Ribonukleinsäure (RNS), schw eißen
einzelne Aminosäuren zu Peptidketten zusammen (Abb. 1). Diese w erden von speziellen Faltungshelfern,
sogenannten Chaperonen, in die richtige Form gebracht. Was aber passiert, w enn diese Prozesse in Zellen
aus dem Takt geraten? In einer Autofabrik ist die Antw ort einfach: Liefe das Band langsamer, w ährend die
Maschinen im gleichen Tempo w eiterarbeiten, säße die Schw eißnaht am falschen Fleck und das Auto w ürde die
abschließende Qualitätskontrolle nicht überstehen.
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A bb. 1: Proteinherstellung – schematische Darstellung
R ibosom e n (rot) le se n e ine Bote n-R ibonuk le insä ure
(schwa rz). Die e ntste he nde Am inosä ure k e tte (grün) wird von
C ha pe rone n (bla u und viole tt) in die richtige Form ge fa lte t.
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In Zellen fiel die Antw ort schw er, und trieb W issenschaftler aus dem Bereich der Protein-Qualitätskontrolle
schon lange um. Es w ar klar, dass Chaperone entscheidend sind, damit Proteine ihre endgültige Form
annehmen. Was aber passiert, w enn man die Produktionsgeschw indigkeit der Ribosomen stört? Auch w enn es
zunächst so scheint, ist diese Frage nicht rein akademischer Natur. Wenn Proteine Qualitätsprobleme
bekommen, klumpen sie zusammen und bilden Aggregate. Proteine, die sich in solchen Aggregaten befinden,
können ihre Funktion nicht mehr erfüllen und mehr als das: Sie können sogar toxisch w erden. Dass dies
äußerst schlecht für unsere Zellen ist, sieht man daran, dass Proteinaggregate als Ursache oder Symptom
verschiedener Degenerationserkrankungen gelten. Aber spielt es w irklich eine Rolle für die Funktion von
Proteinen, w ie schnell sie hergestellt w erden? Die Antw ort auf diese Frage kam w ie so oft in der Forschung
aus einer ganz anderen Richtung: der Qualitätskontrolle von Ribonukleinsäuren.
Die Schnörkel des genetischen Codes
In Lehrbüchern liest man oft, dass RNS-Moleküle die genetische Information in vier unterschiedlichen
Bausteinen – sogenannten Nukleotiden – w eitergeben. Das w ird der natürlichen Komplexität vieler RNSMoleküle aber nicht gerecht. Tatsächlich sind einzelne Nukleotide jedes RNS-Moleküls in der Zelle noch
chemisch modifiziert (Abb. 2A) [1]. Die Modifikationen können zum Beispiel einfache Methylgruppen, aber auch
komplexe chemische Gruppen sein (Abb. 2B).
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A bb. 2: Modifizierte Ribonukleinsäure (RNS)
(A) Dre idim e nsiona le Da rste llung de r Struk tur e ine r Tra nsfe rR NS. Ka nonische Nuk le otide sind in gra u, che m ische
Modifik a tione n sind a ls fa rbige Kuge ln da rge ste llt. (B) Zwe i
Be ispie le für R NS-Modifik a tione n. 1-m e thylgua nosin trä gt e ine
e infa che Me thylgruppe . 5-m e thox yca rbonylm e thyl-2thiouridine ge hört zu de n k om ple x e n Modifizie runge n und
trä gt zwe i unte rschie dliche Modifik a tione n. Die che m ische n
Modifik a tione n sind je we ils rot da rge ste llt.
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Te rm a the (Abb. 2A)
Man könnte sagen, dass der genetische Code „Schnörkel“ trägt. Und genau w ie beim Lesen von Texten,
w urden diese RNS-Schnörkel von vielen W issenschaftlern ignoriert, w eil unklar w ar, w elche Funktion sie
haben. Dabei sprach einiges dafür, dass die Modifikationen w ichtig sind: Erstens findet man sie in allen
Organismen. Zw eitens befinden sich Modifikationen häufig in den Abschnitten der RNS-Moleküle, die für ihre
Funktion w ichtig sind. Schließlich w urde in den letzten Jahren bei mehreren Krankheiten entdeckt, dass die
Modifizierungsenzyme mutiert sind. Dazu gehören neurodegenerative Erkrankungen, Krebs und Diabetes, um
nur die w ichtigsten zu nennen [2]. Ein guter Grund, genauer hinzuschauen. Und das hat die Max-PlanckForschungsgruppe für RNA-Biologie dann auch getan.
Geschwindigkeitskontrolle bei der Proteinherstellung
Die Hypothese lautete, dass das Fehlen von Modifikationen die Geschw indigkeit der Proteinherstellung
verändert. Doch w ie lässt sich diese Vermutung testen? Bei Autos kann man sich an die Straße stellen und ihre
Geschw indigkeit messen. Bei Ribosomen geht das nicht so einfach. Hier kam der technische Fortschritt in Form
des sog. Ribosomen-Profilings den Forschern zur Hilfe (Abb. 3) [3].
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A bb. 3: Ribosomen-Profiling – schematische Darstellung
R ibosom e n (rot) le se n Bote n-R NS (schwa rz). Durch
e nzym a tische n Ve rda u wird die Bote n R NS, die sich nicht in
de n R ibosom e n be finde t, ve rda ut. Die R NS-Schnipse l we rde n
von de n R ibosom e n ge tre nnt, se que nzie rt und cha ra k te risie rt.
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W ik im e dia (Sche re )
Durch diese neue Methode lässt sich bestimmen, w elche Proteine gerade von den Ribosomen einer Zelle
hergestellt w erden. W irklich faszinierend ist aber, dass sich dabei viele Details des Lesevorgangs beschreiben
lassen,
unter
anderem
die
Geschw indigkeit.
Dazu
liest
man
beim
Ribosomen-Profiling
mittels
Hochdurchsatzsequenzierung alle RNS-Abschnitte, die gerade von Ribosomen in ein Protein übersetzt w erden.
Schaut man genug dieser Schnipsel an, kann man eine Aussage über alle Ribosomen einer Zelle treffen. Doch
es dauert etw a drei Wochen, ehe die W issenschaftler die vielen Millionen Sequenzschnipseln eines
Experiments in ihrem Computer gespeichert haben. Und dann müssen die Sequenzen gelesen und
interpretiert w erden. Doch schlussendlich geben die Ribosomen ihre Geschw indigkeit preis, als ob die
Experimentatoren Radarfallen in die Zellen gestellt hätten. Für die Experimente bieten sich Hefezellen an,
denn sie sind einfach aufgebaut, bestehen aber aus denselben Bauteilen w ie eine menschliche Zelle: Die
Erbinformation w ird im Zellkern aufbew ahrt, Mitochondrien erzeugen Energie und Ribosomen sind die
Fertigungsstraßen.
Außerdem
kann
man
auf
einfache
Weise
Hefemutanten
gew innen,
in
denen
Modifikationsenzyme defekt sind.
Wer bremst, verliert ...
Ein Blick auf die Daten zeigte sofort: Auch w enn die RNS nicht modifiziert ist, können Ribosomen die genetische
Information grundsätzlich noch lesen. Nur die Abschnitte bzw . "W örter", die RNS-Modifikationen benötigen,
w erden in Modifikationsmutanten deutlich langsamer gelesen als in normalen Hefezellen [4]. Die Genauigkeit
des Lesens schien sich hingegen nicht zu ändern. Das w ar der erste direkte Hinw eis darauf, dass Ribosomen
tatsächlich langsamer lesen, w enn RNS-Modifikationen fehlen. Sofort w urde die Chance deutlich, die in diesen
Mutanten lag: Bislang konnten W issenschaftler nur die Gesamtgeschw indigkeit der Proteinherstellung mit
Hemmstoffen verändern. An den Modifikationsmutanten ließ sich untersuchen, w as passiert, w enn nur
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einzelne Abschnitte der Produktion gestört w erden und der Rest scheinbar normal abläuft.
Was also passiert, w enn die Koordination der Ribosomen verloren geht? Die Zellen sind voll von
Proteinaggregaten. Das w ar unerw artet, und daher w ar es w ichtig, die Mechanismen anzuschauen, mit denen
sich die Zelle davor schützt. Zellen versuchen aggregierte Proteine entw eder durch Chaperone zu reparieren
oder sie durch ihr Entsorgungssystem abzubauen. Die Experimente zeigten, dass beide Systeme massiv
überfordert w aren (Abb. 4A). Und so kann man die Proteinaggregate biochemisch aus den Zellen isolieren.
Proteinaggregate sieht man nicht, w enn man die Normalgeschw indigkeit in den langsamen RNS-Abschnitten
künstlich w iederherstellt. Es ist also w irklich die jew eilige Geschw indigkeit, die entscheidend ist. Gerät das
Zusammenspiel zw ischen der Herstellungsgeschw indigkeit der Proteine und der Faltung durch die Chaperone
aus dem Gleichgew icht, entsteht ein Schaden. Es gilt hier: W er bremst, verliert.
A bb. 4: Stress durch Proteinaggregate in Zellen mit
verlangsamter Proteinherstellung (Modifikationsmutanten).
(A) Fluore sze nza ufna hm e e ine r He fe -Modifik a tionsm uta nte .
P rote ina ggre ga te sind durch e in R e porte rprote in sichtba r
ge m a cht. (B) Sche m a tische Da rste llung von (A).
P rote ina ggre ga te sind a ls rote P unk te , R e porte rprote in a ls
grüne P unk te da rge ste llt. (C ) Bioche m ische Isolie rung von
P rote ina ggre ga te n. P rote ina ggre ga te a us He fe ze lle n sind
e rk e nnba r a ls dunk le Ba nde n in e ine m P rote inge l. Nur die
Modifik a tionsm uta nte (re chts) e nthä lt Aggre ga te , wä hre nd
norm a le He fe (link s) k e ine Aggre ga te e nthä lt. R e chts:
Morphologische P hä notype n in Muta nte n für R NSModifizie rungse nzym e (D) Fa de nwürm e r und (E) Mä use . (D)
Fa de nwürm e r in Fluore sze nzm ik rosk opie ze ige n e in diffuse s
P rote insigna l. In Muta nte n bilde n sich P rote ina ggre ga te (we iße
P fe ile ). (E) Ge hirn e ine r Ma us k urz na ch de r Ge burt. Da s
Ge hirn e ine r Muta nte ist de utlich k le ine r a ls norm a l (unte n).
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Else vie r (Abb. 4D)
Ob Hefe, Würmer oder Mäuse – das Problem bleibt das gleiche
Als die Forscher nachschauten, w elche Proteine sich in den Aggregaten befanden, kam die nächste
Überraschung. Es sind nicht Proteine, die langsam gelesen w erden, sondern solche, die instabil in der Zelle
vorliegen. Auch im Normalfall braucht die Zelle w ichtige Enzyme, die nur schw er löslich sind und daher schnell
Aggregate bilden. Dadurch, dass die Lesegeschw indigkeit in den Mutanten aus dem Tritt gerät, kann die
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Qualitätssicherung der Zelle diese schw ierigen Proteine nicht mehr reparieren und sie klumpen zusammen.
Dadurch
versagt
die
gesamte
Zelle.
Dies
w ar
ein
ganz
neuer
Ansatz,
um
die
Defekte
von
Modifikationsmutanten zu erklären.
Kann man aber von Hefe auf andere Organismen schließen? Eine w ichtige Frage, w enn Aussagen über
Krankheiten gemacht w erden sollen. Eine Antw ort erfolgte in zw ei Schritten: Fadenw ürmer lassen sich leicht
untersuchen und besitzen ein Nervensystem. Ein Blick ins Mikroskop zeigte, dass Modifikationsmutanten
Proteinaggregate enthalten und kürzer leben als normale W ürmer (Abb. 4B) [4].
Doch funktionieren ähnliche Mechanismen auch in W irbeltieren? Dieser Frage gingen die W issenschaftler am
Beispiel einer seltenen Erbkrankheit nach: Bei familiärer Dysautonomie ist ein Modifizierungsenzym defekt, w as
dazu führt, dass bei den Patienten ein Teil des Nervensystems nicht angelegt w ird. Sie können daher kaum
Sinnesreize w ahrnehmen und sterben in relativ jungem Alter. Um zu untersuchen, ob es einen Zusammenhang
zu den Ergebnissen in Hefen und W ürmern gibt, arbeitete die Forschungsgruppe mit dem Labor von Laurent
Nguyen zusammen [5]. Die belgischen Forscher hatten Mäuse, in deren Gehirn das Enzym nicht funktioniert.
Auch hier stellte sich heraus, dass die Proteinherstellung verlangsamt und Proteinstress die Folge w ar.
Dadurch kommen die Mäuse mit einem kleineren Gehirn zur Welt als ihre gesunden Geschw ister (Abb. 4D). Ein
scheinbar kleiner Effekt hat also schw erw iegende Konsequenzen.
Es zeigt sich, dass die Proteinherstellung ein komplexer Prozess ist, bei dem viele Faktoren eine Rolle spielen.
W ie entscheidend die Geschw indigkeit ist, hat die Max-Planck-Forschungsgruppe für RNA-Biologie jetzt zeigen
können, und man muss diesen Aspekt in Zukunft im Blick behalten. In der Vergangenheit haben Forscher in
der Regel die Herstellungsgeschw indigkeit von Proteinen ignoriert und sich nur für deren Faltung und Abbau
interessiert. Das muss sich nun ändern. Konsequenzen hat das Thema damit auch für die Biotechnologie. Die
Herstellung von Proteinen, die in der Chemie- oder Pharmaindustrie verw endet w erden, ist oft sehr schw ierig
und ineffizient. Ein genauer Blick auf die Herstellungsgeschw indigkeit mag auch hier W under w irken.
Literaturhinweise
[1] Jackman, J. E.; Alfonzo, J. D.
Transfer RNA modifications: nature's combinatorial chemistry playground
W iley Interdisciplinary Review s: RNA 4, 35-48 (2013)
[2] Sarin, L. P.; Leidel, S. A.
Modify or die? - RNA modification defects in metazoans
RNA Biology 11, 1555–1567 (2014)
[3] Ingolia, N. T.; Ghaemmaghami, S.; Newman, J. R. S.; Weissman, J. S.
Genome-wide analysis in vivo of translation with nucleotide resolution using ribosome profiling
Science (New York, NY) 324, 218–223 (2009)
[4] Nedialkova, D. D.; Leidel, S. A.
Optimization of Codon Translation Rates via tRNA Modifications Maintains Proteome Integrity
Cell 161, 1606–1618 (2015)
© 2016 Max-Planck-Gesellschaft
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[5] Laguesse, S.; Creppe, C.; Nedialkova, D.D.; Prévot, P.P.; Borgs, L.; Huysseune, S.; Franco, B.;
Duysens, G.; Krusy, N.; Lee, G.; Thelen, N.; Thiry, M.; Close, P.; Chariot, A.; Malgrange, B.; Leidel, S.A.;
Godin, J.D.; Nguyen, L.
A Dynamic Unfolded Protein Response Contributes to the Control of Cortical Neurogenesis
Developmental Cell 35, 553-567 (2015)
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