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 Entzündung weckt Schläfer
29.03.2017 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

nachricht Rostocker Forscher wollen Glyphosat „entzaubern“
29.03.2017 | Universität Rostock

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: Quantenkommunikation: Wie man das Rauschen überlistet

Wie kann man Quanteninformation zuverlässig übertragen, wenn man in der Verbindungsleitung mit störendem Rauschen zu kämpfen hat? Uni Innsbruck und TU Wien präsentieren neue Lösungen.

Wir kommunizieren heute mit Hilfe von Funksignalen, wir schicken elektrische Impulse durch lange Leitungen – doch das könnte sich bald ändern. Derzeit wird...

Im Focus: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

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...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Organisch-anorganische Heterostrukturen mit programmierbaren elektronischen Eigenschaften

29.03.2017 | Energie und Elektrotechnik

Klein bestimmt über groß?

29.03.2017 | Physik Astronomie

OLED-Produktionsanlage aus einer Hand

29.03.2017 | Messenachrichten