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News: Werkstatt für gestresste Proteine

Geraten Proteine unter Stress, verlieren sie ihre Fassung und können ihre Aufgaben nicht mehr richtig wahrnehmen. Glücklicherweise besitzt jede Zelle eine Maschinerie, die in solchen Situationen hilft. Dazu gehört auch das Protein DegP, das über die Fähigkeit verfügt, gestresste Proteine wieder in Form zu bringen. Gelingt ihm das jedoch nicht, ändert DegP seine Einstellung und - statt zu reparieren - liquidiert es die beschädigten Proteine, bevor sie der Zelle gefährlich werden können. Wissenschaftler haben nun die dreidimensionale Struktur des Reparaturproteins aufgeklärt.
Der reibungslose Ablauf der lebenserhaltenden Maschinerie in Zellen ist nur dann gewährleistet, wenn alle daran beteiligten Komponenten – zumeist Proteine – wie ein Zahnrad in das andere greifen. Allerdings sind nur korrekt gefaltete Proteine in der Lage, zelluläre Bausteine spezifisch zu erkennen. Unter Stress – beispielsweise Hitze – können die Proteine ihre charakteristische Form verlieren.

Solche Eiweiße sind nicht nur funktionslos, sie können für die Zelle sogar gefährlich werden, da sie manchmal verklumpen. Um das zu verhindern, produziert die Zelle in extremen Situationen eine Reihe so genannter "Hitzeschockproteine", die den Anteil an formlosen Proteinen möglichst gering halten. Diese Proteine lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Zum einen gibt es die Gruppe der Chaperone, der heilenden "Anstandsdamen", die versuchen, entfaltete Proteine wieder in ihren funktionellen Zustand zurückzuführen. Ist diese Reparatur nicht möglich, wird eine andere Gruppe von Hitzeschockproteinen aktiv, welche die hoffnungslos defekten Fälle in ihre molekularen Bruchstücke zerlegt und so unschädlich machen. Dabei ist noch völlig unklar, welche "technischen Befunde" ausschlaggebend sind, ob sich ein Chaperon oder eine solche Protease dem Kandidaten annimmt.

Das Forschungsteam um Tim Clausen vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried hat sich bei der Untersuchung dieser fundamentalen biologischen Fragestellung auf das Hitzeschockprotein DegP konzentriert. Interessanterweise vereinigt DegP die gegensätzlichen Eigenschaften von Protease und Chaperon in sich: Bei Temperaturen unter 30 Grad Celsius ist DegP vorwiegend als "fleißig reparierendes" Chaperon aktiv, bei höheren Temperaturen verwandelt es sich in eine "konsequent verschrottende" Protease.

Diese Arbeitsaufteilung ist schlüssig: Bei hohen Temperaturen ist der strukturelle Schaden an den Proteinen größer als bei niedrigen Temperaturen. Von daher scheint es für die Zelle einfacher zu sein, stark deformierte Proteine zu liquidieren, als Energie in ihre Reparatur zu stecken. Bei niedrigen Temperaturen dagegen halten sich die strukturellen Schäden der Proteine in Grenzen, sodass eine Rückfaltung in den funktionellen Zustand ohne großen Aufwand erfolgen kann.

Die entscheidende Voraussetzung zur Bestimmung der Röntgenstruktur von Proteinen ist das Vorhandensein von Proteinkristallen in höchster Qualität. Im Fall von DegP konnten jedoch nur Kristalle minderer Qualität gezüchtet werden, die kaum in der Lage waren, Röntgenstrahlen zu beugen. Den Wissenschaftlern gelang es, die Streueigenschaften der Kristalle durch die längerfristige Lagerung bei 4 Grad Celsius entscheidend zu verbessern. Zudem konnte durch diese Kühlung der kälteliebende Chaperon-Zustand von DegP im Kristall eingefangen werden.

Die Struktur des DegP-Moleküls besteht aus vier Komponenten: ein N-terminaler Haken, der vom Rest des Proteins absteht, eine Protease-Domäne und zwei PDZ-Domänen, typische Protein-Protein-Interaktionsmodule. Die DegP-Moleküle lagern sich zu großen Komplexen zusammen, die eine Art molekularen Käfig bilden. Das Innere dieses Käfigs ist die "Werkstatt" des Proteins, in der sich die proteinspaltenden Arbeitsstätten befinden.

Der Komplex konnte im Proteinkristall in zwei Zuständen beobachtet werden: in einer geschlossenen Form, bei der die Eingänge zur Werkstatt verschlossen waren, und in einer offenen Form, in der die PDZ-Domänen – ähnlich wie die Flügeltüren eines Rennwagens – nach oben schwingen und den Käfig öffnen. Offensichtlich sind die PDZ-Domänen die "Türsteher" dieses Systems, da sie auch als erste Anlaufstelle für die zu reparierenden Proteine dienen. Dank ihrer bemerkenswerten Beweglichkeit arbeiten diese Domänen wie molekulare Tentakel, die umherschwingen, gestresste Proteine einfangen und diese anschließend in dem DegP-Käfig abliefern.

Einmal im Käfig eingesperrt, hängt das Schicksal der Proteine von einem fein abgestimmten Zusammenspiel verschiedener molekularer Schalter ab. Diese Schalter funktionieren wie Temperaturfühler, die den Zugang zur Proteindemontage regeln. Öffnet sich dieser Zugang nicht, können sich die eingefangen Proteine über eine recht "angenehme" Umgebung im Innern des DegP-Käfigs erfreuen.

In der im Kristall eingefrorenen Struktur konnten die Wissenschaftler den "heilenden" Chaperon-Zustand beobachten. Chaperone besitzen einige typische Eigenschaften, die mit ihrer Funktion zusammenhängen, ungefaltete, meist hydrophobe, also wasserabweisende Segmente von Proteinen zu erkennen. Diese charakteristischen Merkmale lassen sich auch in der DegP-Struktur erkennen. Die Innenwände des DegP-Käfigs entsprechen flexiblen, hydrophoben Bindungsplattformen, die ähnlich wie Kondensatorplatten angeordnet sind. Der Abstand zwischen diesen Platten schränkt die Größe der gebundenen Substrate stark ein und verhindert auf diese Weise, dass korrekt gefaltete Proteine in die Werkstatt von DegP gelangen.

Laut Clausen handelt es sich bei dem Proteinkomplex DegP um ein völlig neuartiges Chaperon-Protease-System, das universell verbreitet ist. Von besonderem Interesse sind dabei die menschlichen DegP (HtrA) Proteine, die sich ebenfalls um die Beseitigung gestresster Proteine kümmern. Diese Aufräumkommandos spielen bei einer Vielzahl neurodegenerativer Krankheiten, wie beispielsweise der Alzheimer-Krankheit, eine entscheidende Rolle. Die am Beispiel des Bakteriums Escherichia coli entschlüsselte Proteinstruktur liefert Hinweise, wie diese Aufräumkommandos gesteuert werden, und eröffnet damit neue Ansätze für die Therapie dieser Krankheiten.

Daneben kann die dreidimensionale Struktur auch als Schablone für das Design spezieller Pharmaka dienen, erklärt Clausen weiter. Solche Pharmaka könnten gezielt die reparierende oder verschrottende Funktion von DegP beeinflussen und auf diese Weise sowohl einem unkontrollierten Proteinabbau als auch einer übermäßigen Proteinaggregation entgegenwirken.

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