Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Der Schlüssel zur Proteinbindung - ungeordnet, aber ultraschnell

09.10.2015

Die Kommunikation in Zellen zwischen Zellkern und Zellplasma wird durch den dauerhaften Austausch von Tausenden von Signalmolekülen und Proteinen vermittelt. Bisher war unbekannt, warum dieser Proteinverkehr zugleich so schnell und doch exakt genug ist, um unerwünschte Moleküle an der Passage zu hindern. Durch eine Kombination von Computersimulationen und experimentellen Techniken haben Forscher aus Deutschland, Frankreich und England dieses Rätsel gelöst: Ein sehr bewegliches Protein kann an seinen Rezeptor innerhalb von Millardstel Sekunden binden. Die Arbeit unter der Leitung von Edward Lemke (EMBL), Frauke Gräter (HITS) und Martin Blackledge (IBS) wurde jetzt „Cell“ veröffentlicht.

Proteine können sich gegenseitig erkennen. Jedes einzelne verbindet sich sehr spezifisch nur mit wenigen der vielen verschiedenen Proteine in der lebenden Zelle - wie ein Schlüssel, der in ein Schlüsselloch passt.


Durch die ultraschnelle, aber zugleich gezielte Bindung rast der Rezeptor (gold) durch die mit ungeordneten Proteinen gefüllte Pore in den Zellkern, während unerwünschte Moleküle ferngehalten werden.

Bild: Mercadante /HITS

Aber was passiert, wenn der Schlüssel extrem beweglich ist, wie bei den sogenannten intrinsisch ungeordneten Proteinen (IDPs)? Die Forschungsgruppen unter der Leitung von Edward Lemke am European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg, Frauke Gräter am Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) und Martin Blackledge am Institut de Biologie Structurale (IBS) in Frankreich gingen dieser Frage in einer stark interdisziplinären Zusammenarbeit nach.

Sie verknüpften dabei molekulare Simulationen, Fluoreszenz-Resonanzenergietransfer (FRET) von Einzelmolekülen, Nuklearmagnetresonanzverfahren (NMR), sogenannte „stopped flow“-Spektroskopie und Teilchenverfolgung in der Zelle (in-cell particle tracking) miteinander.

... mehr zu:
»EMBL »IBS »Moleküle »Oberfläche »Proteine »Zelle

Überraschenderweise fanden sie heraus, dass bewegliche, Spaghetti-artige Proteine von ihrem Bindungspartner gut erkannt werden können, vielleicht sogar besser als steife Proteinblöcke. Dabei binden sie sehr schnell, behalten aber trotzdem die hohe spezifische Genauigkeit bei, die die Zelle benötigt. Die Forscher vermuten, dass diese ungeordneten Moleküle in evolutionär höher entwickelten Organismen darum häufiger vorkommen.

Wissenschaftler hatten angenommen, dass ein IDP-„Schlüssel“, damit er in sein „Schlüsselloch“ passt, sich selbst umbaut, aber die Experimente im Lemke Lab ließen eine andere Erklärung zu. „Die Einzelmolekülexperimente am EMBL zeigten für diese Wechselwirkung zwischen Rezeptor und ungeordnetem Protein quasi nichts: Das Protein blieb in der Bindung mit dem Rezeptor genauso beweglich“, sagt Davide Mercadante (HITS).

Dieser Befund regte ihn dazu an, die gleiche Wechselwirkung am Computer zu untersuchen. Das überraschende Ergebnis: Die hohe Flexibilität des IDP hilft tatsächlich, in das „Schlüsselloch“ zu passen – in diesem Fall ein Transportrezeptor, der Proteine in den Zellkern befördert. Die Simulationen legten sogar nah, dass die Bindung ultraschnell sein würde, schneller als alle Verbindungen dieser Art, die bislang gefunden wurden. „Die Computerdaten deuteten darauf hin, dass wir einen neuen, ultraschnellen Bindungsmechanismus identifiziert hatten, aber wir brauchten drei Jahre, bis wir unsere Experimente so eingerichtet hatten, dass wir die Kinetik im Labor beweisen konnten“, erinnert sich Iker Valle Aramburu (EMBL). „Am Ende erzielten wir eine bemerkenswert perfekte Übereinstimmung.“

Die Ergebnisse helfen, ein langjähriges Paradox zu verstehen. „Damit eine Zelle lebensfähig bleibt, müssen sich Moleküle dauerhaft in den Zellkern und wieder hinaus bewegen“, sagt Edward Lemke (EMBL). „Unsere Erkenntnisse erklären das sogenannte Transportparadox – nämlich wie dieser Transport schnell, aber zur gleichen Zeit hochgenau sein kann, damit unerwünschte Moleküle die Schranke nicht überwinden können, die unser Genom schützt.“

Die neue Studie legt nahe, dass es viele sogenannte Bindungsstellen an der Oberfläche gibt, die eine hochreaktive Oberfläche schaffen. Dadurch kann der Schlüssel ultraschnell viele Schlösser erkennen und aufschließen, so dass die Rezeptoren im Eiltempo durch eine Pore gefüllt mit ungeordneten Proteinen rasen.

„Dies könnte ein neues Paradigma für die Erkennung von intrinsisch ungeordneten Proteinen sein“, sagt Frauke Gräter (HITS). Da dreißig bis fünfzig Prozent der Proteine in menschlichen Zellen ungeordnet sind, könnten die Forschungsergebnisse auch eine Erklärung dafür liefern, warum Informationen so schnell weitergeleitet werden – eine unerlässliche Voraussetzung für das Überleben der Zelle.
Weitere an der Studie beteiligte Forscher arbeiten am IBS Grenoble, Frankreich, und an der Cambridge University Großbritannien.

Die Publikation in “Cell”:
Plasticity of an ultrafast interaction between nucleoporins and nuclear transport receptors http://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674%2815%2901264-7
Sigrid Milles, Davide Mercadante, Iker Valle Aramburu, Malene Ringkjøbing Jensen, Niccolò Banterle, Christine Koehler, Swati Tyagi, Jane Clarke, Sarah L Shammas, Martin Blackledge, Frauke Gräter, Edward A Lemke
DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.09.047

Ansprechpartner für die Medien:
Dr. Peter Saueressig
Head of Communications
Heidelberg Institute for Theoretical Studies (HITS)
Phone: +49-6221-533245
peter.saueressig@h-its.org
http://www.h-its.org
Twitter: @HITStudies

Sonia Furtado Neves
EMBL Press Officer & Deputy Head of Communications
Tel.: +49 (0)6221 387 8263
Fax: +49 (0)6221 387 8525
sonia.furtado@embl.de
http://s.embl.org/press

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr. Frauke Gräter
Heidelberg Institute for Theoretical Studies (HITS)
Phone: +49-6221-533267
frauke.graeter@h-its.org

Dr. Edward Lemke
Structural and Computational Biology Unit, Cell Biology and Biophysics Unit, (EMBL)
Phone: +49-6221-387 8536
lemke@embl.de

Weitere Informationen:

http://www.h-its.org/mbm-aktuelles/in-cell-der-schlussel-zur-proteinbindung-unge... HITS-Pressemitteilung
http://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674%2815%2901264-7 Publikation in "Cell"

Dr. Peter Saueressig | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Berichte zu: EMBL IBS Moleküle Oberfläche Proteine Zelle

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscher finden neue Ansätze gegen Wirkstoffresistenzen in der Tumortherapie
15.12.2017 | Universität Leipzig

nachricht Moos verdoppelte mehrmals sein Genom
15.12.2017 | Philipps-Universität Marburg

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: Immunsystem - Blutplättchen können mehr als bislang bekannt

LMU-Mediziner zeigen eine wichtige Funktion von Blutplättchen auf: Sie bewegen sich aktiv und interagieren mit Erregern.

Die aktive Rolle von Blutplättchen bei der Immunabwehr wurde bislang unterschätzt: Sie übernehmen mehr Funktionen als bekannt war. Das zeigt eine Studie von...

Im Focus: First-of-its-kind chemical oscillator offers new level of molecular control

DNA molecules that follow specific instructions could offer more precise molecular control of synthetic chemical systems, a discovery that opens the door for engineers to create molecular machines with new and complex behaviors.

Researchers have created chemical amplifiers and a chemical oscillator using a systematic method that has the potential to embed sophisticated circuit...

Im Focus: Nanostrukturen steuern Wärmetransport: Bayreuther Forscher entdecken Verfahren zur Wärmeregulierung

Der Forschergruppe von Prof. Dr. Markus Retsch an der Universität Bayreuth ist es erstmals gelungen, die von der Temperatur abhängige Wärmeleitfähigkeit mit Hilfe von polymeren Materialien präzise zu steuern. In der Zeitschrift Science Advances werden diese fortschrittlichen, zunächst für Laboruntersuchungen hergestellten Funktionsmaterialien beschrieben. Die hiermit gewonnenen Erkenntnisse sind von großer Relevanz für die Entwicklung neuer Konzepte zur Wärmedämmung.

Von Schmetterlingsflügeln zu neuen Funktionsmaterialien

Im Focus: Lange Speicherung photonischer Quantenbits für globale Teleportation

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik erreichen mit neuer Speichertechnik für photonische Quantenbits Kohärenzzeiten, welche die weltweite...

Im Focus: Long-lived storage of a photonic qubit for worldwide teleportation

MPQ scientists achieve long storage times for photonic quantum bits which break the lower bound for direct teleportation in a global quantum network.

Concerning the development of quantum memories for the realization of global quantum networks, scientists of the Quantum Dynamics Division led by Professor...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Call for Contributions: Tagung „Lehren und Lernen mit digitalen Medien“

15.12.2017 | Veranstaltungen

Die Stadt der Zukunft nachhaltig(er) gestalten: inter 3 stellt Projekte auf Konferenz vor

15.12.2017 | Veranstaltungen

Mit allen Sinnen! - Sensoren im Automobil

14.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Weltrekord: Jülicher Forscher simulieren Quantencomputer mit 46 Qubits

15.12.2017 | Informationstechnologie

Wackelpudding mit Gedächtnis – Verlaufsvorhersage für handelsübliche Lacke

15.12.2017 | Verfahrenstechnologie

Forscher vereinfachen Installation und Programmierung von Robotersystemen

15.12.2017 | Energie und Elektrotechnik