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Wertstoff-Recycling in der Zelle - Struktur und Funktionsweise des Proteasoms aufgeklärt

Wenn die Zelle ein Protein nicht mehr benötigt, baut sie es ab, um die enthaltenen Aminosäuren zurückzugewinnen. Nun konnte ermittelt werden, wie das für dieses Recycling zuständige Enzym aufgebaut ist und seine Aufgabe erfüllt. Wie sich zeigte, ähnelt es durchaus auch äußerlich einer Wertstofftonne.

Das Recycling hochwertiger Abfallstoffe wird, auch wenn der eine oder andere zeitgenössische Politiker gerne als Erfinder dieses Prinzips gelten würde, in der Natur schon seit einigen Milliarden Jahren praktiziert. So verfügen die Zellen fast aller Lebensformen über Systeme, die beschädigte oder nicht mehr benötigte Proteine in ihre Aminosäure-Bausteine zerlegen, aus denen sich dann wieder neue Eiweißstoffe herstellen lassen. Den Protein-Abfall einfach durch die Membran auszuschleusen, um ihn möglichst bequem loszuwerden – diese Verschwendung hätte sich kein Organismus im Wettstreit der Evolution leisten können.

Das Recyclingsystem der Zelle besteht im wesentlichen aus einem Markierungs- und einem Abbau-Schritt. Die Markierung ist in diesem Fall kein grüner Punkt, sondern ein kleineres Protein namens Ubiquitin, das in mehreren Exemplaren an den wiederzuverwertenden Abfallstoff angehängt wird. Für die Zerlegung der Proteinkette in einzelne wiederverwertbare Aminosäuren ist dagegen ein ziemlich kompliziertes Gebilde aus mehreren Dutzend Protein-Untereinheiten zuständig: das Proteasom. Verglichen mit den einfach gebauten und umfassend untersuchten sekretorischen Proteinasen, die zum Beispiel in unserem Magen Eiweißstoffe spalten, sind die proteolytischen Systeme im Zell-Inneren, zu denen das Proteasom gehört, noch recht wenig bekannt.


Frühe Nachforschungen

Dafür wurden Proteasomen aufgrund ihrer Verbreitung über alle Organismenreiche und ihrer komplizierten Unterstrukturen viele Male unabhängig entdeckt und mit mehr als 20 verschiedenen Namen belegt, bevor man die Gemeinsamkeiten erkannte. Schon 1968 machten Zellbiologen in Eukaryoten (den höheren Organismen mit echtem Zellkern) zylindrische Proteinpartikel unbekannter Funktion ausfindig.

Erst zwei Jahrzehnte später bemerkte man, daß diese Partikel mit der von Enzymologen seit 1980 untersuchten "multikatalytischen Proteinase" identisch sind. Der Zylinder, der inzwischen (nach seiner in Svedberg-Einheiten gemessenen Sedimentations-Geschwindigkeit) als 20S-Proteasom bezeichnet wird, bildet in vielen Zellen den Kern eines größeren, unregelmäßig geformten Teilchens, das nach heutiger Nomenklatur 26S-Proteasom heißt.

Zum Leidwesen der Forscher erwies sich das 20S-Proteasom der Eukaryoten-Zelle trotz seiner regelmäßigen äußeren Form als ein bunt zusammengewürfeltes Gemisch aus 28 Untereinheiten, die bis zu 14 verschiedenen Molekülsorten angehören können. Da war es ein Glücksfall, daß die Arbeitsgruppe von Wolfgang Baumeister am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried bei München 1989 in dem Archaebakterium Thermoplasma acidophilum eine Variante fand, die etwas einfacher aufgebaut ist. Hier enthält das 20S-Proteasom, das wie bei Eukaryoten auch aus vier gestapelten siebengliedrigen Ringen besteht, nur zwei Arten von Untereinheiten: Die Alpha-Komponente findet sich ausschließlich in den beiden äußeren, die Beta-Komponente dagegen in den inneren Ringen.

Nachdem es den Martinsrieder Forschern 1992 gelungen war, das Thermoplasma-Proteasom von dem beliebtesten "Arbeitspferd" der Molekularbiologen – dem Darmbakterium Escherichia coli – herstellen zu lassen, bestanden günstige Voraussetzungen dafür, diesen Komplex und seine katalytische Aktivität systematisch zu untersuchen. Nach intensiver Beackerung dieses Feldes scheint nun die Erntezeit gekommen: In einer Serie von sechs Publikationen, die von November 1994 bis April 1995 erschienen, konnte Baumeisters Gruppe die meisten Rätsel des Proteasoms – zumindest für das einfache Modellsystem aus Thermoplasma – lösen.

Es begann mit der Beschreibung der seltsamen Art und Weise, wie das Protein seine aus vier Ringen bestehende Faßstruktur von außen nach innen aufbaut ("Nature Structural Biology", Band 1, Seiten 765 bis 770). Nur die Alpha-Untereinheiten können nämlich selbständig Siebenringe bilden, die dann den Beta-Komponenten als Baugerüst dienen.


Erkennungsmechanismus

Im März dieses Jahres veröffentlichte Baumeisters Gruppe dann Einzelheiten darüber, wie das 20S-Proteasom die abzubauenden Proteine erkennt und aufnimmt ("Nature Structural Biology", Band 2, Seiten 199 bis 204). Offenbar erhalten nur völlig entfaltete Exemplare Einlaß ins Faß-Innere, und anscheinend helfen in eukaryotischen Zellen Komponenten des 26S-Proteasoms bei diesem Entfaltungsschritt mit, wobei sie Moleküle des zell-internen Energieträgers Adenosintriphosphat (ATP) verbrauchen. Außerdem haben die Deckel des 26S-Proteasoms die Aufgabe, das Ubiquitin zu erkennen und abzuspalten. Dieses Markierungsprotein wird nämlich nicht mit abgebaut, sondern direkt wiederverwendet.

Nach den neuesten Erkenntnissen ist das Einlaßkriterium für die proteolytische Kern-Einheit allerdings nicht der Entfaltungszustand an sich, sondern die Dicke des Teilchens. Das konnten Baumeister und seine Mitarbeiter demonstrieren, indem sie ein völlig entfaltetes Protein (Alpha-Lactalbumin aus Kuhmilch) mit einem Goldkörnchen von zwei Nanometern (millionstel Millimetern) Durchmesser koppelten: Die Peptidkette mit Anhänger wurde nicht verdaut. Die Forscher konnten das Goldkörnchen wegen seiner hohen Elektronendichte in elektronenmikroskopischen Aufnahmen lokalisieren und nachweisen, daß es genau an der Öffnung des Fasses hängenblieb.


Kontrollierter Abbau

Die strikte Regulierung der Abbau-Aktivität durch mindestens drei Schritte (Markierung mit Ubiquitin, energieabhängige Entfaltung, Einlaß nur im entfalteten Zustand) läßt sich als Sicherungsmechanismus deuten. Eine intrazelluläre Protease stellt schließlich eine potentielle Gefahr für das reiche Inventar der Zelle an Enzymen und Strukturproteinen dar. Sie soll zwar beschädigte, falsch gefaltete und nicht mehr benötigte Eiweißstoffe zerlegen, aber auf keinen Fall all die vielen anderen Proteine, die noch gebraucht werden. Eine unregulierte Proteinase in der Zelle würde sie in kürzester Frist zerstören.

Den krönenden Abschluß der Veröffentlichungen bildeten zwei Ende April gleichzeitig in "Science" erschienene Arbeiten (Band 268, Seiten 533 und 579). Darin präsentiert Baumeisters Arbeitsgruppe zusammen mit der von Robert Huber vom selben Institut die genaue Struktur des Proteasoms in atomarer Auflösung sowie einen interessanten neuartigen enzymatischen Mechanismus für die Protease-Funktion.

Die Röntgenstrukturanalyse mit einer Auflösung von 0,34 Nanometern brachte einige Überraschungen (Bild 1). So stellte sich heraus, daß die Konformation (räumliche Anordnung) des Peptidrückgrats in den Alpha- und den Beta-Untereinheiten nahezu deckungsgleich ist, obwohl die beiden Proteine in der Abfolge der Aminosäurebausteine so gut wie nicht übereinstimmen. Außerdem repräsentiert sie ein bislang unbekanntes Faltungsmuster.

Obwohl die Zahl der aufgeklärten Kristallstrukturen exponentiell wächst, ist die der neuen Faltungsmuster rückläufig. Man vermutet, daß es nur einige hundert grundlegend verschiedene gibt, die in vielfacher Variation und Kombination immer wieder verwendet werden.

Interessant ist auch der Vergleich mit der im September 1994 veröffentlichten Struktur des Faltungshelferproteins Chaperonin-60 (Spektrum der Wissenschaft, April 1995, Seite 16), das ebenfalls ein Faß mit siebenzähliger Symmetrie darstellt. Im Gegensatz zu dem löcherigen Gewand der molekularen Anstandsdame ist die Recycling-Tonne der Zelle jedoch rundum dicht verschlossen. Der zentrale, etwa fünf Nanometer weite Tunnel bildet die einzige Höhlung. Außerdem besteht auch bezüglich der Faltung der Aminosäurekette nicht die geringste Ähnlichkeit zwischen beiden Proteinen. In der Evolution scheint sich die Architektur des aus siebengliedrigen Ringen aufgebauten Fasses also mehrmals herausgebildet zu haben.


Wirkungsmechanismus

Auch die Aufklärung der enzymatischen Funktion des Proteasoms brachte einige Überraschungen (Bild 2). Erste Untersuchungen mit Protease-Hemmstoffen (Inhibitoren), die jeweils für eine der herkömmlichen Klassen von proteolytischen Enzymen spezifisch sind, lieferten widersprüchliche Ergebnisse.

Dank der Möglichkeit, die Gene für Thermoplasma-Proteasomen in E. coli exprimieren zu lassen, konnten Baumeister und seine Mitarbeiter ein Verfahren anwenden, mit dem sich das aktive Zentrum eines Proteins normalerweise zielsicher aufspüren läßt. Weil die Funktion dieses Zentrums jeweils an eine ganz bestimmte Struktur gebunden ist, sollte sich seine Zusammensetzung nämlich im Verlauf der Evolution weitgehend erhalten haben.

Die Forscher suchten deshalb in den bekannten Sequenzen der Beta-Untereinheiten aus verschiedenen Organismen nach übereinstimmenden Abschnitten und tauschten bei diesen durch gezielte Mutagenese einzelne Aminosäuren aus. Das aktive Zentrum wäre dann der Abschnitt, bei dessen Abwandlung die enzymatische Aktivität verschwindet.

So einleuchtend das Verfahren ist, führte es in diesem Falle jedoch nicht ans Ziel. Mit keiner der Mutationen gelang es, die Aktivität des Proteasoms völlig zu unterdrücken ("FEBS Letters", Band 359, Seiten 173 bis 178). Bei dem aussichtsreichsten Kandidaten für das aktive Zentrum verstärkte sich sogar die proteolytische Aktivität, als eine Aminosäure durch eine garantiert unpassende ersetzt wurde.

Es blieb nur eine mögliche Schlußfolgerung: In dem bunten Mix verschiedener Beta-Untereinheiten des Eukaryoten-Proteasoms sind nicht alle katalytisch aktiv. Statt anzunehmen, daß jene Aminosäure, die über die enzymatische Wirkung entscheidet, in sämtlichen Beta-Untereinheiten des Proteasoms einer Eukaryotenspezies vorkommen muß, unterstellten die Martinsrieder Forscher nur noch, daß sie in mindestens einer Version pro Spezies vorhanden ist. Aus dem so erweiterten Kreis von Kandidaten konnten sie dann relativ leicht den richtigen herauspicken.

Im nachhinein werden sich Baumeister und seine Kollegen geärgert haben, daß sie ihre Mutationstudien nicht einfach am Anfang der Sequenz begonnen haben. Der aktive Aminosäure-Rest ist nämlich das Threonin in Position 1. Inhibitorstudien zufolge scheint es eine ähnliche Funktion zu haben wie das Serin in den schon seit Jahrzehnten intensiv erforschten Serin-Proteasen (Trypsin oder Chymotrypsin zum Beispiel). Damit ist das Proteasom der erste Vertreter der neuen Familie der Threonin-Proteasen. Übrigens läßt es sich durch Mutagenese auch leicht in eine Serin-Protease umwandeln.

Die Aufklärung von Struktur und Funktion des Thermoplasma-Proteasoms wird auch der Erforschung des eukaryotischen Gegenstücks, für das es ein vereinfachtes Modell ist, einen kräftigen Schub geben. Weil der von Ubiquitin abhängige Abbauweg an der Regulation des Stoffwechsels beteiligt ist (durch Beseitigung überzähliger Enzym-Moleküle) und zudem im Immunsystem bei der Aufbereitung der Antigene eine Rolle spielt, könnte es sich erweisen, daß der Recycling-Apparat eine Schaltzentrale der Zellmaschinerie ist.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 7 / 1995, Seite 24
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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