Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Das Ribosom als Kontrolleur

29.09.2016

Die Synthese von makromolekularen Maschinen im Zellinneren ist ein komplizierter und diffiziler Prozess. Biochemiker aus Würzburg und Göttingen haben jetzt neue Details dieser Vorgänge entschlüsselt. Sie zeigen, dass die Zelle viel dafür tut, Produktionsfehler zu vermeiden.

Der Zusammenbau von Proteinen zu größeren makromolekularen Gebilden im Zellinneren ist an Ribosomen – und damit an ihren Entstehungsort durch den Prozess der sogenannten Translation – gekoppelt. Das ist das Ergebnis neuester Untersuchungen von Wissenschaftlern der Universität Würzburg und vom Max-Planck-Institut (MPI) für biophysikalische Chemie in Göttingen. Das Ribosom übernimmt dabei quasi die Funktion eines „Qualitäts-Checkpoints“: Es stellt sicher, dass neu gebildete Proteine direkt in die Produktionsstraße von makromolekularen Komplexen geschleust werden. Die Ergebnisse ihrer Arbeit haben die Forscher in den Fachzeitschriften Cell Reports und The EMBO Journal veröffentlicht.


Anders als gedacht, entlässt das Ribosom Proteine nach der Synthese nicht in das Zytosol (l). Stattdessen hält es sie so lange fest, bis passenden Gegenstücke und Helfer angeliefert werden (r.).

Grafik: Ashwin Chari

Ein molekulares Legospiel

„Man muss sich das wie ein molekulares Legospiel vorstellen: Ein Baustein wird an den anderen gefügt, so lange bis das Produkt fertig ist. Kommt an einer Stelle ein fehlerhafter Stein zum Einsatz, kann am Ende das ganze Gebilde nicht funktionieren.“

Professor Utz Fischer ist Inhaber des Lehrstuhls für Biochemie an der Universität Würzburg. Schon seit vielen Jahren forscht er daran, wie sogenannte „makromolekulare Maschinen“ in Zellen zusammengebaut werden.

Sein Spezialgebiet sind die Spleißosomen – große Komplexe aus Proteinen und RNA-Molekülen, die im Inneren des Zellkerns die Übertragung des genetischen Codes in Proteine kontrollieren. Sie entfernen dabei aus der Boten-RNA diejenigen Abschnitte, die keine Protein-kodierenden Informationen enthalten, und fügen die informationstragenden Abschnitte wieder zusammen.

In ihrer jüngsten Arbeit hat Fischers Team in Zusammenarbeit mit Göttinger Kollegen den Produktionsweg von sogenannten UsnRNPs, den Untereinheiten, aus denen sich die Spleißosomen zusammensetzen, komplett entschlüsselt – von der Synthese der Einzelkomponenten über deren Zusammenbau bis zur Kombination der funktionstüchtigen Maschine. Dabei haben sie einen Akteur identifiziert, dessen Rolle so bisher noch nicht bekannt war: das Ribosom.

Die Rolle der Ribosomen

Ribosomen sind der Ort, an dem im Inneren der Zelle genetische Information in Proteine umgesetzt wird – in der Fachsprache „Translation“ genannt. Wie sich diese Proteine anschließend zu makromolekularen Maschinen zusammenfinden, war bislang nicht bis ins letzte Detail aufgeklärt. Klar war allerdings: Die Vorstellung, dass das Ribosom die Bausteine in die Zelle entlässt, wo sie so lange herumwandern, bis sie ihr passendes Gegenstück finden, konnte definitiv nicht zutreffen. „Dafür herrscht im Zellinneren ein viel zu großes Gedränge“, sagt Ashwin Chari, Projektgruppenleiter am MPI für biophysikalische Chemie. Die Proteine würden viel zu lange benötigen, um sich zu Komplexen zusammenzuschließen, da sie an „falschen“ Bestandteilen hängen bleiben und so Verklumpungen bilden, die im schlimmsten Fall gravierende Funktionsstörungen verursachen. Molecular Crowding heißt diese drangvolle Enge unter Wissenschaftlern.

„Es muss also in der lebenden Zelle einen Mechanismus geben, der die neu synthetisierten Proteine am Ribosom schützt und mit dem Wunschpartner verbindet“, sagt Elham Paknia, die experimentell das Projekt leitete. Dass dem tatsächlich so ist, konnten die Wissenschaftler jetzt erstmals nachweisen. Demnach entlässt das Ribosom die Proteine nach der Synthese nicht in das Zytosol. Stattdessen hält es sie dort so lange fest, bis bestimmte Helfer – sogenannte Chaperone – die passenden Gegenstücke anliefern. Damit stelle das Ribosom sicher, dass nur die eine, gewünschte Struktur ausgebildet werden kann; es übernimmt sozusagen neben der Produktion auch noch die Rolle eines Qualitätskontrolleurs.

Hoher Aufwand für Regulation und Kontrolle

„Extrem hohe Sicherheitsstandards“ sind nach den Erkenntnissen der Forscher sowieso ein grundlegendes Prinzip der Arbeitsweise von Zellen. So sind, wie sie zeigen konnten, an dem Zusammenbau makromolekularer Maschinen häufig mehr Helfer als Bausteine beteiligt. Das spiegelt sich auch im Energieverbrauch der Zelle wider: „Die eigentliche Katalyse verbraucht längst nicht so viel Ressourcen wie Regulation und Kontrolle. In diese Aufgaben fließt wesentlich mehr Energie hinein“, sagt Utz Fischer.

Der hohe Aufwand ist gerechtfertigt: Fehler beispielsweise beim Zusammenbau der Spleißosomen sind ein Auslöser der Spinalen Muskelatrophie. Die Krankheit ist gekennzeichnet durch ein Absterben der motorischen Nervenzellen vor allem im Rückenmark, was bei den Betroffenen zu Muskelschwund und Lähmungen führt. Fehlgefaltete Proteine gelten außerdem als Verursacher zahlreicher anderer Krankheiten – von Diabetes bis zu Alzheimer.

Ein generelles Prinzip

Auch wenn Fischer und seine Göttinger Kollegen die Rolle des Ribosoms beim Zusammenbau von Makromolekülen jetzt am Beispiel des Spleißosoms entschlüsselt haben, sind die Forscher davon überzeugt, dass es sich nicht um einen Einzelfall handelt. „Es gibt gute Gründe dafür zu glauben, dass es sich dabei um ein generelles Prinzip handelt“, sagt Fischer. Schließlich müssen auch andere Makromoleküle in der gleichen drangvollen Enge, aber mit höchsten Sicherheitsstandards synthetisiert werden.


The Ribosome Cooperates with the Assembly Chaperone pICln to Initiate Formation of snRNPs. Elham Paknia, Ashwin Chari, Holger Stark, Utz Fischer. Cell Reports, Volume 16, Issue 12, 20 September 2016. http://dx.doi.org/10.1016/j.celrep.2016.08.047

Reconstitution of the human U snRNP assembly machinery reveals stepwise Sm protein organization. Nils Neuenkirchen, Clemens Englbrecht, Jürgen Ohmer, Thomas Ziegenhals, Ashwin Chari & Utz Fischer, The EMBO Journal. DOI 10.15252/embj.201490350

Kontakt

Prof. Dr. Utz Fischer, T: (0931) 31-84029, E-Mail: utz.fischer@biozentrum.uni-wuerzburg.de

Dr. Ashwin Chari, T: (0551) 201-1654, E-Mail: ashwin.chari@mpibpc.mpg.de

Gunnar Bartsch | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Zirkuläre RNA wird in Proteine übersetzt
24.03.2017 | Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft

nachricht Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen
24.03.2017 | Universität Bayreuth

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise