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Das Ubiquitin-System der Zellen

Ein kleines, erst vor zwanzig Jahren entdecktes Protein, das Ubiquitin, hat sich für eine Vielzahl zellulärer Prozesse als bedeutsam erwiesen. Es kann in unterschiedlicher Form an andere Proteine geheftet werden und wirkt dann funktionsmodifizierend oder als Abbausignal. Wachstum, Teilung und Entwicklung der Zellen setzen ebenso wie ihre Fähigkeit, adäquat auf Stress zu reagieren, ein funktionsfähiges Ubiquitin-System voraus.

Die verschiedenen Proteine einer Zelle haben eine unterschied- liche Lebensdauer. Solche mit regulatorischer Funktion beispielsweise müssen ausgeschaltet werden, sobald ihr Zweck erfüllt ist; teilweise werden sie einfach rasch abgebaut und ihre Bausteine wiederverwertet. Auch fehlerhaft hergestellte oder geschädigte Proteine zieht die Zelle wieder ein und nutzt das Material zur Neusynthese.

Als wichtige Komponente dieser Abbausysteme erwies sich Ubiquitin, ein Protein mit einem Molekulargewicht von nur etwa 8600 (zum Vergleich: die größten Proteine bringen es auf eine Million und mehr; Bild 1). Entdeckt wurde es erst 1974 von der Gruppe um Gideon Goldstein, der damals an der Medizinischen Fakultät der Universität New York arbeitete. Darauf gestoßen waren die Forscher bei ihren Untersuchungen zur Differenzierung von Lymphocyten. Diese Sorte weißer Blutkörperchen ist für die spezifische Abwehr von Krankheitserregern verantwortlich.

Das Protein kommt, wie die Überprüfung ergab, auch in anderen Zellen vor, und zwar bei ganz unterschiedlichen Organismen. Die Vermutung der Entdecker, es sei ein Bestandteil aller lebenden Zellen, also ubiquitär (allgegenwärtig), schlug sich in dem ziemlich umständlichen Namen ubiquitous immunopoietic polypeptide (allgegenwärtiges Immunzellen bildendes Polypeptid) wieder. In der Folgezeit wurde er zu Ubiquitin verkürzt.

Wirklich universell verbreitet ist das Protein nach heutigem Wissen allerdings nicht; denn bisher ließ es sich bei keiner der zur Photosynthese unfähigen Untergruppen der Echten Bakterien (Eubakterien) nachweisen, beispielsweise auch nicht bei dem wohl bestuntersuchten Vertreter, dem Darmbakterium Escherichia coli. Interessanterweise tragen aber manche Viren Ubiquitin-Gene, obwohl es sich bei ihnen sogar um nicht-zelluläre Lebensformen handelt.

Ein fast im gesamten Organismenreich verbreitetes Protein muß wichtige Aufgaben erfüllen, zumal es sich im Laufe der Evolution kaum verändert hat; Ubiquitin von Mensch und von Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) beispielsweise unterscheiden sich in lediglich drei der 76 Aminosäuren ihrer Proteinkette (Bild 5). Aber erst ungefähr zehn Jahre nach der Entdeckung kam man einer seiner Rollen im Stoffwechsel auf die Spur.

Avram Hershko und seine Mitarbeiter am Technion in Haifa (Israel) berichteten damals über einen Abbauweg von Proteinen, der nur in Gegenwart des rätselhaften Moleküls und unter Verbrauch von Energie funktioniert. Allerdings ist bis heute die Anzahl jener Proteine, deren Beseitigung eindeutig durch Anheften von Ubiquitin vermittelt wird, vergleichsweise gering. Dazu gehören etwa das Phytochrom (ein pflanzlicher Photorezeptor), verschiedene Mitglieder der Familie der Cycline und weitere regulatorische Proteine des Zellzyklus (insbesondere der verschiedenen Stadien der Kern- und Zellteilung), Calmodulin (ein Calciumsensor, der die Aktivität vieler innerzellulärer Proteine reguliert), die Alpha-Untereinheit von G-Proteinen (diese Eiweißstoffe vermitteln einlaufende Signale ins Zellinnere weiter), ferner das tumor-unterdrückende Protein p53 sowie gewisse Proteine von Krebsgenen (Onkogenen).

Ubiquitiniert werden auch einige Histone (basische, mit der Erbsubstanz DNA assoziierte Proteine), diverse Rezeptoren auf der äußeren Membran von Zellen und das Faserprotein Actin in der Flugmuskulatur der Taufliege Drosophila. Bei ihnen aber scheint dies seltener einen Abbau auszulösen, als vielmehr ihre Funktion zu modifizieren. Im Falle der Histone werden Ubiquitin-Moleküle zwar unablässig entfernt, sofort aber neue angefügt; völlig frei davon sind die Histone nur während der Metaphase, also in einem Stadium der Kernteilung, in dem die Chromosomen eine besonders kompakte Form haben. Aufgrund dieser und weiterer Befunde vermutet die Gruppe um William M. Bonner von den amerikanischen Nationalen Gesundheitsinstituten in Bethesda (Maryland), daß die Bindung von Ubiquitin an Histone auf noch ungeklärte Weise die Struktur des Chromatins beeinflußt, das sich während der Kernteilung zu den als Chromosomen sichtbaren Gebilden verdichtet.

Mit Sicherheit ist Ubiquitin an solch fundamentalen zellulären Vorgängen beteiligt wie der Steuerung des Zellzyklus, der Reparatur von DNA, den Reaktionen auf Stress (insbesondere Hitzeschock), der Herstellung gewisser Zellorganellen und der Regulation der Entwicklung (siehe Kasten auf Seite 77). Entsprechend läßt ein Defekt im Ubiquitin-System schwere Störungen erwarten. Dies ist vermutlich auch bei manchen altersbedingten Erkrankungen des Menschen der Fall. Die Proteinablagerungen im Gehirn von Alzheimer-Patienten sind ubiquitiniert, ebenso die in der Augenlinse bei grauem Star – aus bislang unbekannten Gründen werden sie aber nicht wie vorgesehen abgebaut. Ferner läßt die Interaktion mit diversen Onko- und Zellzyklus-Proteinen vermuten, daß Defekte im Ubiquitin-System bei der Entstehung von Tumoren mitspielen. Sichere Belege stehen aber noch aus.


Enzyme des Ubiquitin-Systems

Ubiquitin selbst ist nur eine Art Etikett; auf seine Zielproteine übertragen wird es, wie schon Hershkos Team feststellte, von einer Stafette verschiedener Enzyme. Sie sind weitere grundlegende Komponenten des Systems (Bild 2). Gleich ob zur Modifikation oder als Abbausignal – immer wird das Molekül unter Energieverbrauch erst einmal auf die Übertragung vorbereitet: An sein Ende – die gewissermaßen als Schlußpunkt der Aminosäuresequenz dienende Carboxylgruppe (-COOH) – heftet sich über eine energiereiche Schwefelbrücke (genauer: eine Thioesterbrücke) ein aktivierendes Enzym, allgemein mit E1 bezeichnet. Dessen Aktivität wiederum läßt sich durch Phosphorylierung steigern, jedenfalls im Reagenzglas. Diese reversible Bestückung mit energiereichen Phosphatgruppen ist ein wichtiges regulatorisches Prinzip von Zellen; bewerkstelligt wird sie von besonderen Enzymen, die man als Kinasen bezeichnet (Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1992, Seite 18). Da auch in lebenden Zellen zumindest eines der Enzyme, die nachfolgende Schritte der Ubiqitinierung katalysieren, nachweislich phosphoryliert (und auch selbst wieder ubiqitiniert) ist, dürfte die Aktivität des Ubiquitin-Systems auf diese verbreitete Weise reguliert werden.

Wie wichtig der erste ubiquitin-aktivierende Schritt für das Überleben einer Zelle ist, belegt eine Reihe spezieller Mutanten mit Veränderungen im E1-Gen, welche die Funktion des hergestellten Enzyms so lange nicht beeinträchtigen, wie die Umgebungstemperatur normal bleibt. Bei Übererwärmung aber verliert das Molekül eher als sonst seine räumliche Struktur und wird inaktiv. So wachsen derart mutierte Linien kultivierter Hamster- und Mäusezellen unter normalen Temperaturen genauso gut wie unveränderte, sind bei höheren Werten jedoch unfähig, ihren Zellzyklus komplett zu durchlaufen; schleust man ihnen das korrekte Gen als Zusatzausstattung ein, gelingt ihnen das wieder. Hefe-Mutanten beispielsweise, denen das aktivierende Enzym überhaupt fehlt, sind nicht lebensfähig.

Das aktivierte Ubiquitin wird im zweiten Schritt einem übertragenden Enzym ausgehändigt (und dabei wiederum über eine energiereiche Schwefelbrücke angekoppelt). Von diesem E2 gibt es mehrere ähnliche Formen in der Zelle, die für die Bestückung verschiedener Zielproteine mit Ubiquitin zuständig sind. Für die Bäckerhefe wurden zahlreiche dieser Enzyme von Stefan Jentsch und seinen Mitarbeitern, inzwischen am Zentrum für Molekulare Biologie in Heidelberg, identifiziert und funktionell charakterisiert. Selbst bei unterschiedlichen Organismen ähneln sich diese Enzyme in der Abfolge ihrer Bausteine – besonders stark im Anfangsabschnitt, weniger im Endabschnitt; dieser variiert sehr stark in der Länge. Bei manchen E2-Enzymen zeichnet er sich durch eine Ansammlung saurer Aminosäuren aus (solche mit einer negativen Ladung in der Seitenkette). Diese Domäne könnte dazu dienen, mit basischen, positiv geladenen Proteinen wie den Histonen in Wechselwirkung zu treten.

Einige E2-Enzyme funktionieren sogar in artfremden Zellen und können dort einen Ausfall von eigenen Enzymen bis zu einem gewissen Grade kompensieren. Eines aus der Taufliege Drosophila beispielsweise vermag (nach Übertragung seines Gens) in der Bäckerhefe Schäden an der Erbsubstanz DNA, darunter durch UV-Bestrahlung verursachte Mutationen, zu beheben helfen, wenn das dafür nötige hefeeigene Enzym Ubc 2 (nach englisch ubiquitin-conjugating enzyme 2) nicht funktioniert. Allerdings kann es nicht dessen Funktion bei der Sporenbildung übernehmen, möglicherweise weil ihm die Verlängerung des Ubc-2-Enzyms fehlt.

Die E2-Enzyme können Ubiquitin direkt – ohne Mithilfe weiterer Enzyme – an Zielproteine koppeln, und zwar an jene Aminogruppe (-NH2) der Aminosäure Lysin, die nicht in das Rückgrat der molekularen Kette eingebunden ist. Gibt es mehrere Lysin-Reste in der Kette, kann mehr als einer mit je einem Ubiquitin-Molekül bestückt werden. Eine solche, eventuell mehrfache Mono-Ubiquitinierung zieht nicht den Abbau des Zielproteins nach sich, sondern dient dazu, dessen Funktion zu modifizieren, wie im Falle der Histone (Bild 2 rechts).


Das Dritte im Bunde

Anders ist dies im Falle einer Multi-Ubiquitinierung, der Verknüpfung einer ganzen Kette von Ubiquitin-Molekülen mit einem Zielprotein. Das erste Glied einer solchen Kette wird gewissermaßen selbst ubiquitiniert, dieses zweite Glied wiederum und so fort. In der Regel geschieht das jeweils am Lysin-Rest in Position 48 des bereits gebundenen Ubiquitin-Moleküls, in einigen Fällen aber, wie man seit einigen Monaten weiß, an dem in Position 29 oder 63 (Bild 1 unten). Enzyme, die eine über diesen letzten Lysin-Rest geknüpfte Multi-Ubiquitinkette herstellen, sind für Zellen unter Stress, wie eine Übererwärmung ihn erzeugt, lebensnotwendig: Ein Hitzeschock hinterläßt defekte Proteine, die möglichst rasch zu beseitigen sind.

Die Verknüpfung zur Kette scheinen gewisse E2-Enzyme zu übernehmen. Zur Bestückung des Zielproteins ist allerdings noch ein weiteres Enzym erforderlich. Diese kurz E3 genannte Ubiquitin-Protein-Ligase heftet sich an das Zielprotein und trägt eine Andockstelle für E2-Enzyme. Nach deren Bindung wird aus diesem Komplex heraus die Multiubiquitin-Kette gewissermaßen vor Ort geknüpft und verankert.

Bisher kennt man erst einige wenige E3-Enzyme. So hat die Arbeitsgruppe um Hershko in unreifen Blutkörperchen von Kaninchen zwei Sorten mit unterschiedlicher Spezifität gefunden. Die eine heftet sich an Zielproteine, die am Kettenanfang (ihrem Amino-Ende) entweder eine basische Aminosäure (also Arginin, Lysin oder Histidin, die eine Seitenkette mit positiver Ladung haben) oder eine wassermeidende (also Phenylalanin, Tryptophan, Leucin oder Tyrosin) tragen. Außer den beiden dafür zuständigen Erkennungsregionen hat das Enzym noch eine dritte, die Aminosäuresequenzen innerhalb eines Zielproteins bindet. Das andere Enzym heftet sich an Proteine, deren Anfang mit einer der Aminosäuren Asparagin, Asparaginsäure, Glutamin, Glutaminsäure oder Isoleucin bestückt ist.

In Zusammenarbeit mit der Gruppe um Joan Ruderman von der Harvard Medical School in Boston beschrieb die Gruppe von Hershko erst kürzlich ein weiteres E3. Im Gegensatz zu den anderen E3-Enzymen ist es kein Einzelprotein, sondern an einen größeren Komplex gebunden, der von den Forschern Cyclosom genannt wurde. Dieses E3 ist speziell für die Ubiquitinierung von Cyclinen verantwortlich.

Die Forscher um Alexander Varshavsky vom California Institute of Technology in Pasadena fanden in der Bäckerhefe dagegen bisher nur ein E3-Enzym, das die Aminosäure am Anfang erkennt. Diese Gruppe hatte 1986 überhaupt erst durch Zufall entdeckt, daß die Lebensdauer eines Proteins, gemessen an seiner Halbwertszeit, von der ersten Aminosäure abhängt. Zu verdanken war dies einem mißlungenen Experiment.

Aus einleitenden Untersuchungen hatten die Forscher den Verdacht, ein Protein werde auch durch ein Ubiquitin-Etikett am Anfang für den Abbau markiert. Zur Überprüfung dieser Idee hängten sie das Gen für ein bakterielles Protein, die Beta-Galaktosidase, direkt hinter das Gen für Ubiquitin und schleusten das Zwittergen in Hefezellen ein. Zwar wurde das Mischprodukt hergestellt, ein zelleigenes Enzym spaltete aber das vorgespannte Ubiquitin sofort wieder ab. Auch ein gentechnisch bewerkstelligter Austausch der ersten Aminosäure der Beta-Galaktosidase konnte das Enzym nicht davon abhalten. Das veränderte Bakterienprotein wurde jedoch überraschenderweise bei 12 der 20 möglichen Aminosäuren in erster Position rascher abgebaut als das normale. Am ausgeprägtesten reduzierte Arginin die Halbwertszeit, und zwar um einen Faktor von etwa 600 (von 20 Stunden auf 2 Minuten)!

Aus diesen und weiteren Erkenntnissen entwickelten Varshavsky und seine Mitarbeiter die sogenannte N-Ende-Regel für die Stabilität eines Proteins (Spektrum der Wissenschaft, Januar 1987, Seite 11). Der eigentliche Abbau des Fremdproteins war in den Hefezellen, wie sie ferner feststellten, von ei- ner Multi-Ubiquitinierung abhängig. Geknüpft wurde die Kette durch das erwähnte E2-Enzym Ubc 2, während das E3-Enzym (Ubr 1; das r steht für recognition enzyme, Erkennungsenzym) vor ihrer Übertragung das Bakterienprotein gezielt an sich band. Beide Biokatalysatoren ließen sich gemeinsam mit gegen sie gerichteten Antikörpern ausfällen und liegen demnach als ein Komplex vor.

Ob zur selektiven Ubiquitinierung anderer Zielproteine weitere spezifische Faktoren erforderlich sind, ist bislang unbekannt. Ubr 1 zumindest dürfte generell für den Abbau nur eine untergeordnete Rolle spielen: Hefe-Mutanten, denen das zugehörige Gen fehlt, wirken normal.

Ein weiteres bisher bekanntes E3-Enzym bildet – anders als die beschriebenen, aber genau wie die E1- und E2-Enzyme – mit Ubiquitin einen Thioester und überträgt es anschließend auf sein Zieleiweiß: das tumor-unterdrückende Protein p 53.


Recycling-Tonne

Für das schließliche Zerlegen der markierten Proteinkette in einzelne wiederverwertbare Aminosäuren ist ein aus zahlreichen Untereinheiten zusammengesetztes Gebilde zuständig, das grob gesehen einer Tonne mit Deckeln gleicht. Diese haben die Aufgabe, das Ubiquitin-Etikett zu erkennen und abzuspalten, so daß es wieder zu Verfügung steht. Die entfaltete Proteinkette wird durch das Faßinnere gefädelt und zerlegt (Spektrum der Wissenschaft, Juli 1995, Seite 24).

Der als Proteasom bezeichnete Komplex baut allerdings auch zumindest einige Proteine ab, ohne daß sie ubiquitiniert sind. Anscheinend hat er generelle Bedeutung für die Proteolyse, die Spaltung von Proteinen, im Zellplasma. Nach neueren Erkenntnissen liefert er wohl zudem teilweise jene kurzen Proteinfragmente (Peptide), die Körperzellen dem Immunsystem zur Kontrolle dessen präsentieren, was in ihrem Zellplasma an Proteinen entstanden ist (und das kann beispielsweise auch eines von einem Virus sein). Für diese Aktivität scheinen aber andere Deckel am Proteasom notwendig zu sein: In Gegenwart von Interferonen, die eine Zelle beispielsweise bei Virusbefall produziert, wird ein Hexamer aus zwei bestimmten Sorten von Untereinheiten als Deckel angelagert; dann findet ein von Ubiquitin unabhängiger Abbau von Proteinen im Proteasom statt.

Natürliche Hemmstoffe für diesen Komplex werden derzeit erforscht; beispielsweise ließe sich mit ihnen dem Abbau von Muskelsubstanz entgegenwirken, den Astronauten im Weltall und lange Zeit Bettlägrige erleiden.

Mutanten der Bäckerhefe, denen eines der proteinspaltenden Enzyme im Proteasom (die Protease YscE) fehlt, können nach der N-Ende-Regel veränderte Beta-Galaktosidase-Moleküle nicht mehr abbauen, obwohl sie ubiquitiniert sind. Diesem Hefe-Enzym (das Y steht für englisch yeast, Hefe, sc für die Anfangsbuchstaben des lateinischen Namens der Bäckerhefe) kommt somit eine Rolle bei der durch Ubiquitin vermittelten Proteinspaltung im Komplex zu.


Programmschalter im Zellzyklus

Welche Bedeutung der gezielte ubiquitin-abhängige Abbau von Proteinen hat zeigt sich wohl am eindrucksvollsten beim Zellteilungszyklus, kurz Zellzyklus genannt (Bild 3). Üblicherweise beginnt eine frisch entstandene Tochterzelle zu wachsen und ihre spezifischen Aufgaben zu erfüllen. Ist sie groß genug und sind die Umgebungsbedingungen günstig, verdoppelt sie ihre Erbsubstanz. Nur in diesem Stadium wird DNA synthetisiert. Dieser Synthese-Phase folgt eine Art Sicherheits-Check, in der die Zelle weiterarbeitet und dabei prüft, ob die Kriterien für die einzuleitende Kernteilung (die Mitose, bei der die verdoppelten Chromosomen auf die beiden künftigen Tochterzellen aufgeteilt werden) und die anschließende eigentliche Zellteilung erfüllt sind.

Die Übergänge zwischen den einzelnen Phasen des Zellzyklus werden auf raffinierte Weise reguliert. Schlüsselmoleküle sind die Cycline, so benannt, weil sie einem charakteristischen Kreislauf von Synthese und Abbau unterworfen sind. Der Gehalt eines Cyclins steigt in einem bestimmten Stadium und fällt dann – teils in einem anderen Stadium – plötzlich wieder ab. Eine Hauptklasse dieser Moleküle erwies sich beispielsweise als für den Beginn der Mitose zuständig, eine andere für den Übergang zur DNA-Synthese-Phase. Sie aktivieren jeweils zu den Kinasen zählende regulatorische Enzyme, indem sie einen Komplex mit ihnen bilden. (Die tätig werdenden Kinasen versehen, wie erwähnt, andere Proteine mit Phosphatgruppen und verändern dadurch wiederum deren Aktivität). Bei der Bäckerhefe aktivieren verschiedene Cycline dieselbe Kinase und verändern gleichzeitig deren Spezifität.

Wie sich nun in den letzten Jahren gezeigt hat, werden zahlreiche Cycline verschiedener Organismen durch das Ubiquitin-System rasch zu definierten Zeiten im Zellzyklus abgebaut (ihre Kinase wird dadurch inaktiv). In der Bäckerhefe ist das bei mindestens zweien der Cycline der Fall, die für den Übergang zur DNA-Synthese-Phase verschwinden müssen. Fehlt das für die Ubiquitinierung dieser Moleküle erforderliche E2-Enzym (Ubc 3), arbeiten die Zellen weiter, ohne DNA herzustellen, und teilen sich dann auch nicht mehr. Dasselbe Enzym sorgt umgekehrt dafür, daß die für die DNA-Synthese-Phase nötigen Komplexe aus anderen Cyclinen und der Kinase ihre Funktion ausüben können. Zwei Hemmproteine blockieren nämlich zunächst diese Komplexe; das Enzym vermittelt ihren ubiquitin-abhängigen Abbau. Es ist übrigens im aktiven Zustand selbst phosphoryliert und ubiquitiniert; ohne seine Ubiquitin-Kette wird es abgebaut!

Mit Hilfe eines anderen E2-Enzyms wird sowohl ein Hefe-Cyclin der Synthese-Phase als auch eines der Mitose-Phase abgebaut. Mutanten, denen das Enzym gänzlich fehlt, sind nicht lebensfähig. Wird ihnen ein intaktes Gen eingeschleust, künstlich ausgeprägt und dann abgeschaltet, bleiben sie in einem bestimmten Stadium der Mitose stecken.

Damit die Zelle überhaupt in die Mitose-Phase eintreten kann, ist ebenfalls eine Multi-Ubiquitinierung erforderlich. Das Zielprotein dafür ist allerdings noch unbekannt.

Erkenntnisse über die hier beschriebenen ubiquitin-abhängigen Schritte, die zum Durchlaufen des Zellzyklus erforderlich sind, wurden hauptsächlich an der Bäckerhefe gewonnen. Aus Genvergleichen mit Säugern und Fröschen ist jedoch zu schließen, daß die Regulation des Zellzyklus bei ihnen ähnlich funktionieren dürfte. Auch die einzellige Grünalge Chlamydomonas reinhardtii kann, wie wir feststellten, den Zellzyklus nur komplett durchlaufen, wenn eines aus einer bestimmten Klasse von Ubiquitin-Genen ausgeprägt wird. Somit dürfte auch bei diesem Photosynthese betreibenden Einzeller das Ubiquitin-System eine entscheidende Rolle im Zellzyklus spielen.


Ubiquitin-Gene

Zwar besteht bei allen daraufhin untersuchten Organismen ein funktionsfähiges Ubiquitin-Molekül aus einer Abfolge von 76 Aminosäuren, doch auf der genetischen Ebene verhält sich die Sache komplizierter. So enthalten die Zellen zwei unterschiedliche Klassen zuständiger Gene, eine davon codiert für Polyubiquitin. Das sind mehrere hintereinandergekoppelte Ubiquitin-Einheiten, die gewöhnlich mit einer geringen Anzahl von nicht im Ubiquitin enthaltenen Aminosäuren verknüpft sind. Solche Gene werden verstärkt unter Stressbedingungen aktiv, so daß dann eine größere Menge Ubiquitin zum Abbau von Proteinen verfügbar ist, die etwa durch Hitzeschock ihre korrekte räumliche Faltung verloren oder andere Schäden erlitten haben. Eben ein solches Gen muß bei unserer Grünalge auch funktionsfähig sein, damit der Zellzyklus komplett durchlaufen werden kann.

Bislang hat sich kein Proteinmolekül in Zellen gefunden, das der Bauanweisung der Polyubiquitin-Gene entspräche. Deshalb nimmt man an, daß schon während oder sehr kurz nach der Synthese des sozusagen seriellen Proteins die einzelnen Ubiquitin-Einheiten säuberlich enzymatisch herausgeschnitten und von den nicht dazu gehörenden Aminosäuren abgetrennt werden.

Die zweite Klasse von Genen codiert für sogenannte Ubiquitin-Fusionsproteine. Diese bestehen aus einem Molekül Ubiquitin mit einem zusätzlichen Proteinteil am Ende. Bisher hat man zwei unterschiedliche Sorten solcher Verlängerungen gefunden: die eine 52 oder 53, die andere 76 bis 81 Aminosäuren lang – je nach untersuchtem Organismus. Bei allen handelt es sich, wie drei Arbeitsgruppen, darunter die von Günther Gerich am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried, 1989 feststellten, um Proteine für die Untereinheiten der Ribosomen. An diesen Gebilden werden Proteine gemäß der als Abschrift überbrachten genetischen Bauanweisung hergestellt.

Von unserem Untersuchungsobjekt (Bild 4) haben wir das kleine Ubiquitin-Fusionsprotein analysiert. Seine Verlängerung zeichnet sich wie die bei anderen Organismen durch zwei charakteristische Abschnitte aus: Der erste vermittelt als Signalsequenz den Transport in den Zellkern, der zweite bildet einen sogenannten Zinkfinger aus, der eine Wechselwirkung zwischen Protein und Nucleinsäure ermöglicht (Spektrum der Wissenschaft, April 1993, Seite 54) .

Diese Fusionsproteine stellt zweifellos jede kernhaltige Zelle in ihrem Zellplasma her. Wann und wo sie dann in ihre Einzelkomponenten zerlegt werden ist noch unbekannt. Sie dürften aber, wie ihr Kern-Eintransportsignal nahelegt, über die Poren der Kernmembran eingeschleust werden.

Im Kern könnte die Verlängerung – durchaus noch als Teil des intakten Fusionsproteins – zur Bildung der dort erzeugten Ribosomen-Untereinheiten genutzt werden. Ubiquitin hat möglicherweise dabei die Funktion eines Chaperons, eines Faltungshelfers. Als ein solches Gouvernantenprotein würde es den Einbau seiner Verlängerung in entstehende ribosomale Untereinheiten erleichtern, ohne jedoch selbst an der Reaktion beteiligt zu sein. Wenn danach die beiden Komponenten präzise voneinander getrennt werden, stünde freies Ubiquitin im Zellkern für eine Ubiquitinierung beispielsweise von Histonen zur Verfügung. (Die fertiggestellten Ribosomen-Untereinheiten gelangen dann ins Zellplasma.)


Evolutionäre Aspekte

Die Abfolge der Aminosäuren im Ubiquitin selbst hat sich, wie erwähnt, im Laufe der Evolution kaum verändert, wie ein Vergleich unterschiedlicher Organismen zeigt; nur an wenigen der 76 möglichen Positionen konnten sich überhaupt Veränderungen durchsetzen (Bild 5). Aber trotz etwas abweichender Aminosäuresequenzen unterscheiden sich beispielsweise Ubiquitin-Moleküle aus Hefe, Hafer und Mensch (beziehungsweise Tier) kaum in ihrer räumlichen Gestalt, die Senadhi Vijay-Kumar von der Universität von Alabama in Birmingham durch Strukturanalyse an Ubiquitin-Kristallen ermittelt hat. Im Laufe der Evolution scheinen sich nur solche Mutationen durchgesetzt zu haben, welche die kompakte, globuläre Faltung des Ubiquitins nicht verändern. Sie befinden sich alle in einer Region, die im gefalteten Molekül gegenüber dessen Ketten-Ende zu liegen kommt; sie mag für eine Aufgabe konzipiert sein, die zwischen Pilz, Pflanze und Tier verschieden ist.

Bei tierischen wie pflanzlichen Zellen läßt sich Ubiquitin beispielsweise im Plasma, im Kern und an der Zellmembran nachweisen. Als wir gemeinsam mit Richard G. Kulka, Hadas A. Parag und Itzak Ohad von der Hebräischen Universität in Jerusalem ultradünne Schnitte durch unsere Grünalge C. reinhardtii im Elekronenmikroskop daraufhin untersuchten, erwartete uns eine Überraschung: Die als Sonden eingesetzten goldmarkierten Antikörper hatten sich außerdem noch im Bereich der Chloroplasten angesammelt, die das Chlorophyll – das Blattgrün – beherbergen, und dort insbesondere am Stärkebildungszentrum (Pyrenoid; Bild 4). Etwa zeitgleich veröffentlichten Milton Zaitlin und seine Mitarbeiter von der Cornell-Universität in Ithaca (New York) einen ähnlichen Befund an Tabakpflanzen.

Überrascht waren wir alle deshalb, weil sich die noch mit Resten eines eigenen Erbguts ausgestatteten Chloroplasten stammesgeschichtlich vermutlich von Photosynthese betreibenden Cyanobakterien ableiten, die vor vielleicht etwa einer Milliarde Jahre andere Zellen als Symbionten besiedelt haben; zur Zeit unserer Untersuchungen aber war noch von keinem Bakterium ein Ubiquitin-System bekannt. Erst kürzlich hat man Ubiquitin allerdings in dem Cyanobakterium Anabaena variabilia entdeckt (wobei noch nicht klar ist, ob es sich nur um ein ubiquitin-ähnliches Protein handelt, da es noch nicht komplett sequenziert ist). Sollten die Gene dafür tatsächlich schon in den Vorläufern der heutigen Chloroplasten vorhanden gewesen sein, ist denkbar, daß sie dann in den Kern der Wirtszelle transferiert worden sind – ähnlich wie das Gen für die kleine Untereinheit der Ribulose-biphosphat-carboxylase; dieses Enzym fixiert Kohlendioxid, das bei der Photosynthese zusammen mit Wasser zum Aufbau organischer Substanz dient. Da nach bisheriger Auffassung Ubiquitin im Zellplasma an Zielproteine gekoppelt wird, müßte es in dieser Form zurück in die Chloroplasten transportiert werden (die keine Ubiquitin-Gene enthalten).

Indizien für eine frühe Evolution und ein hohes Alter der Ubiquitin-Gene liefert auch ihr Aufbau. Die Gene für die kleinen Ubiquitin-Fusionsproteine und für Polyubiquitin enthalten Introns, also nicht für ein Protein codierende Bereiche, und haben somit Mosaikstruktur. Nehmen wir zum Beispiel ein menschliches Gen für ein Ubiquitin-Fusionsprotein (UbA52) und zwei entsprechende (UBQ 1 und UBQ 2) der Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana), eines Kreuzblütlers. Alle enthalten mehrere Introns, und zwar drei an genau der gleichen Position, obwohl sich die Einschübe in der Abfolge und Anzahl ihrer Bausteine unterscheiden (Bild 6). Zwei von diesen dreien befinden sich in dem für Ubiquitin, das dritte in dem für das ribosomale Protein codierenden Bereich.

Introns werden aus der von der DNA abgeschriebenen Boten-RNA herausgeschnitten, grenzen aber auf der Ebene der Gene oft funktionelle Protein-Einheiten, Domänen genannt, gegeneinander ab. Im Falle von Ubiquitin grenzen die beiden inneren Introns an Bereiche, die im Protein einer Alpha-Helix beziehungsweise einem Beta-Faltblatt entsprechen. In der Helix ist die Aminosäurekette schraubig gewunden, im Faltblatt wechselt sie hin und her.

Nach einer Hypothese von Walter Gilbert von der Harvard-Universität in Cambridge (Massachusetts) sind die Exons, die für funktionelle Domänen codieren, das Spielmaterial der Evolution gewesen, aus dem durch Verdopplung und Abwandlung sowie durch immer wieder andere Kombinationen neue Protein-Gene zusammengestellt wurden. Die oft sehr viel längeren Introns als sozusagen flexibles Füllmaterial sind, so die Hypothese weiter, bei der Entwicklung zu den Echten Bakterien (wie dem Darmbakterium E. coli) völlig verloren gegangen; Gene anderer Organismen hingegen weisen mit ihren Introns noch Relikte der eigenen Entstehung auf.

Wenn also ein menschliches und ein pflanzliches Gen an einander entsprechenden Stellen Introns enthalten, müßte ihr gemeinsames Vorläufergen bereits in Zellen vorhanden gewesen sein, bevor die Auftrennung in Pflanzen- und Tierreich vor etwa einer Milliarde Jahren stattfand. Da es sich bei den Verlängerungen der Ubiquitin-Fusionsproteine um Bestandteile für die Ribosomen von Eukaryoten handelt (die – anders als Bakterien – ihre DNA in einem Zellkern eingeschlossen haben), läßt sich des weiteren folgern, daß diese frühen Zellen bereits einen Zellkern ausgebildet hatten. Chloroplasten beispielsweise konnten sie allerdings noch nicht besessen haben (also einen Organellentyp, der Zellen heutiger Pflanzen auszeichnet), denn es gab ja noch keine tierischen oder pflanzlichen Zellen.


Viren im System

Seit etwa drei Jahren weiß man, daß Ubiquitin-Gene auch bei Viren vorkommen. So hat die Gruppe um R. John Mayer von der Universität Nottingham (Großbritannien) bei Togaviren, die Schweinepest hervorrufen, festgestellt, daß krankmachende Stämme die wirtsidentische Information für Ubiquitin in ihr Erbgut integriert haben; nicht-pathogenen Stämmen fehlt sie dagegen. Erst durch Aneignung des Gens werden die Viren gefährlich. Der auslösende Mechanismus ist aber noch unbekannt.

Ein weiteres Beispiel bietet das Baculovirus Autographa california, das ein Insekt infiziert; es enthält DNA für ein Ubiquitin, das zu 77 Prozent mit tierischem Ubiquitin identisch ist.

Viren, die das Afrikanische Schweinefieber verursachen, tragen die Information für ein Enzym des Ubiquitin-Systems. Mayer ließ das Enzym gentechnisch von Bakterien herstellen – es war aktiv und konnte im Reagenzglas Histone ubiquitinieren. Die Viren scheinen also das Ubiquitin des Wirtes mittels des Enzyms irgendwie für ihre eigenen Zwecke zu mißbrauchen.

Anders ist dies im Falle des Tabak-Mosaik-Virus. Die Ubiquitinierung seiner Hüllproteine dürfte lediglich eine Abwehrreaktion der Wirtszellen sein.

Den Gipfel der Raffinesse erreicht ein weiteres Virus: das Finkel-Biskis-Reilly-Mäuse-Sarkom-Virus. Es trägt in seinem Erbgut die Information zur Herstellung von RNA, die zur Boten-RNA des Ubiquitins komplementär ist. Indem die befallene Wirtszelle gezwungenermaßen das virale Gen abliest, erzeugt sie eine sogenannte Antisense-RNA; diese lagert sich als Gegenstrang an die Boten-RNA und deckt so die Bauanweisung für Ubiquitin gewissermaßen zu. Dies dürfte die wirtseigene Maschinerie für den Proteinabbau über das Ubiquitin-System deutlich stören. Gerade die Verwicklung des Ubiquitin-Systems in verschiedene Erkrankungen bei Tier und Mensch wird künftig das Interesse an seiner Erforschung noch weiter steigern. Das kleine Protein und seine Helfer sind – trotz zahlreicher schon bekannter zellulärer Funktionen (siehe Kasten auf Seite 77) – sicherlich noch für manche Überraschung gut.

Literaturhinweise

- Ubiquitin in Health and Disease. Von R. J. Mayer, J. Arnold, L. Laszlo, M. Landon und J. Lowe in: Biochimica et Biophysica Acta, Band 1089, Seiten 141 bis 157, 1991.

– Proteolysis, Proteasomes and Antigen Presentation. Von A. L. Goldberg und K. L. Rock in: Nature, Band 357, Seiten 375 bis 379, 1992.

– A Controlled Breakdown: Antigen processing and the Turnover of Viral Proteins. Von J. Driscoll und D. Finley in: Cell, Band 68, Seiten 823 bis 825, 1992.

– On the Molecular Evolution of Ubiquitin. Von M. Wettern und J. von Kampen in: Endocytobiosis & Cell Research, Band 8, Seiten 139 bis 149, 1992.

– The Ubiquitin-Proteasome Proteolytic Pathway. Von A. Ciechanover in: Cell, Band 79, Seiten 13 bis 21, 1994.

– Role of a Ubiquitin-Conjugating Enzyme in Degradation of S- and M-Phase Cyclins. Von W. Seufert, B. Futcher und S. Jentsch in: Nature, Band 373, Seiten 78 bis 81, 1995.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1996, Seite 58
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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