Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Qualitätskontrolle auf dem Weg zur Proteinherstellung

30.01.2015

Neue Forschungsarbeiten zeigen, wie fehlerhafte Moleküle sich selbst abbauen

Proteine, die Bausteine des Lebens, sind komplexe Moleküle. Ausgangspunkt ihrer Entstehung in der Zelle ist die DNA. Diese enthält alle genetischen Informationen eines Organismus und somit auch die ‚Baupläne‘ für verschiedenste lebenswichtige Proteine.


Das Enzym, das die Nukleotid-Dreierkette (CCA) an die Transfer-RNAs (tRNAs) anheftet, ist ein Protein, das wie ein Schaubstock wirkt: Es umklammert die jeweilige tRNA, wenn es ein solches CCA-Etikett darauf befestigt (1). Funktionstüchtige tRNA hat eine stabile Struktur und fällt anschlie-ßend sofort vom Enzym ab (2a). Fehlerhafte tRNA ist hingegen instabil und kann sich nicht vom Enzym befreien (2b). Es erhält deshalb ein zweites CCA-Etikett (3b). Erst danach befreit es sich vom Enzym (4b), es ist nun als fehlerhaft gekennzeichnet und wird abgebaut.

Bild: Dr. Claus D. Kuhn; mit Autorangabe zur Veröffentlichung frei.

Der Weg vom ‚Bauplan‘ bis zum fertigen Protein ist aber ein mehrstufiger und daher fehleranfälliger Prozess. Eine Forschungsgruppe am Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) in New York ist jetzt einem Mechanismus auf die Spur gekommen, der wesentlich zur Qualitätskontrolle auf dem Weg zur Proteinherstellung beiträgt.

In der Online-Ausgabe der renommierten Zeitschrift „Cell“ werden die neuen Forschungsergebnisse vorgestellt. Erstautor der Studie ist Dr. Claus D. Kuhn, der seit kurzem ein Labor am Forschungszentrum für Bio-Makromoleküle (BIOmac) der Universität Bayreuth leitet.

Ein Protein, dessen ‚Bauplan‘ in der DNA verankert ist, besteht aus zahlreichen kleineren Bausteinen. Damit es dem Bauplan entsprechend hergestellt werden kann, müssen diese Bausteine – es handelt sich um Aminosäuren – zunächst einmal bereitgestellt werden. Diese Aufgabe übernehmen spezielle Trägermoleküle, die Transfer-RNAs (kurz: tRNAs).

Sie werden mit unterschiedlichen Bausteinen beladen, die dann ihrerseits in der richtigen Reihenfolge zum fertigen Protein zusammengesetzt werden. Damit eine Transfer-RNA mit einem solchen Baustein beladen werden kann, muss sie zuvor mit einer Nukleotid-Dreierkette ausgestattet werden.

Diese Kette wird aufgrund ihrer Struktur „CCA“ genannt. Sie wirkt wie ein Etikett, das die jeweilige Transfer-RNA als funktionstüchtiges Trägermolekül kennzeichnet. Ein spezielles Enzym übernimmt die Aufgabe, ein solches CCA-Etikett an die Transfer-RNA anzuhängen.

Aber was geschieht, wenn eine Transfer-RNA defekt ist und nicht als Trägermolekül infrage kommt? In diesem Fall, so haben die Wissenschaftler herausgefunden, wird es doppelt mit dem CCA-Etikett ausgestattet. Die CCACCA-Struktur signalisiert der Zelle, dass es sich um ein fehlerhaftes Molekül handelt, das bei der Herstellung von Proteinen nicht verwendet werden darf. Infolgedessen wird die Transfer-RNA sehr rasch in der Zelle abgebaut, so dass die potenzielle Fehlerquelle beseitigt ist.

„Aufgrund dieser Erkenntnisse haben wir uns natürlich gefragt: Wie kann das Enzym, das die CCA-Etiketten an den Transfer-RNAs befestigt, zwischen fehlerfreien und defekten Trägermolekülen unterscheiden?“, berichtet Dr. Kuhn. „Die Antwort, die wir mithilfe der Röntgen-Kristallographie herausgefunden haben, hat uns überrascht: Das Enzym ist sozusagen einfältig und besitzt diese Fähigkeit überhaupt nicht. Es ist vielmehr die defekte Transfer-RNA, die aufgrund ihrer fehlerhaften Struktur selbst dafür sorgt, dass sie das CCA-Etikett in doppelter Ausführung erhält. Infolgedessen wird sie blitzschnell abgebaut, damit dem Prozess der Proteinherstellung keine fehlerhaften Transfer-RNAs zugeführt werden.“

Die Röntgenkristallographie macht es möglich, viele photographische Aufnahmen eines Moleküls in unterschiedlichen Stadien herzustellen. Auf diese Weise hat die Forschergruppe den Mechanismus aufklären können, der bewirkt, dass defekte Transfer-RNAs – und nur sie – als fehlerhaft markiert werden. Das Enzym umklammert jede einzelne Transfer-RNA wie ein Schraubstock und versetzt sie eine schraubenförmige Bewegung.

Währenddessen befestigt es die drei Bestandteile des CCA-Etiketts auf der Transfer-RNA. Anschließend versucht das Enzym, diesen Prozess zu wiederholen. Funktionstüchtige Transfer-RNAs können sich diesem Versuch entziehen, indem sie vom Enzym abfallen. Fehlerhafte Transfer-RNAs sind hingegen instabiler und flexibler. Sie können daher nicht verhindern, dass sie ein zweites CCA-Etikett erhalten.

„Diese Form der Qualitätskontrolle bei der Proteinherstellung war der Forschung bisher unbekannt. Wir haben hier erstmals einen Mechanismus entdeckt, mit dem Trägermoleküle sich selbst kontrollieren – und sich letztlich selbst abbauen, falls sie die Produktion fehlerfreier Proteine gefährden“, erläutert Dr. Claus D. Kuhn.

Nach seinem mehrjährigen Forschungsaufenthalt in New York wird er an der Universität Bayreuth diese grundlegenden Forschungsarbeiten zur Wechselwirkung zwischen RNA und Proteinen vertiefen. Das Elitenetzwerk Bayern fördert dafür ein am Forschungszentrum BIOmac eingerichtetes Labor, in dem vier hochqualifizierte Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter kooperieren. „Die Infrastruktur für strukturbiologische Grundlagenforschung ist hier hervorragend, und ich freue mich schon auf die Zusammenarbeit mit den strukturbiologischen und biochemischen Arbeitsgruppen in Bayreuth auf diesem spannenden Forschungsgebiet“, so der Bayreuther Biochemiker.

Die Forschungsarbeiten am Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) in New York wurden von zahlreichen U.S.-amerikanischen Einrichtungen unterstützt: dem Howard Hughes Medical Institute, den US National Institutes of Health, dem Jane Coffin Childs Memorial Fund for Medical Research, dem Robertson Research Fund of Cold Spring Harbor Laboratory und nicht zuletzt dem Cold Spring Harbor Laboratory Women in Science Award.

Veröffentlichung:
Claus-D. Kuhn, Jeremy E. Wilusz, Yuxuan Zheng, Peter A. Beal, and Leemor Joshua-Tor,
On-Enzyme Refolding Permits Small RNA and tRNA Surveillance by the CCA-Adding Enzyme,
Cell (2015), DOI: 10.1016/j.cell.2015.01.005

Ansprechpartner:
Dr. Claus D. Kuhn
Elitenetzwerk Bayern
Forschungszentrum BIOmac
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Telefon: +49 (921) 55-4356
E-Mail: claus.kuhn@uni-bayreuth.de
URL: www.elitenetzwerk.bayern.de/kuhnlab

Christian Wißler | Universität Bayreuth

Weitere Berichte zu: Bauplan Cell Enzym Mechanismus Proteinherstellung Qualitätskontrolle RNA Transfer-RNA Zelle dna protein

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Verbesserte Kohlendioxid-Fixierung dank Mikrokompartiment
25.09.2017 | Max-Planck-Institut für Biochemie

nachricht Regenbogenfarben enthüllen Werdegang von Zellen
25.09.2017 | Technische Universität Dresden

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: LaserTAB: Effizientere und präzisere Kontakte dank Roboter-Kollaboration

Auf der diesjährigen productronica in München stellt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT das Laser-Based Tape-Automated Bonding, kurz LaserTAB, vor: Die Aachener Experten zeigen, wie sich dank neuer Optik und Roboter-Unterstützung Batteriezellen und Leistungselektronik effizienter und präziser als bisher lasermikroschweißen lassen.

Auf eine geschickte Kombination von Roboter-Einsatz, Laserscanner mit selbstentwickelter neuer Optik und Prozessüberwachung setzt das Fraunhofer ILT aus Aachen.

Im Focus: LaserTAB: More efficient and precise contacts thanks to human-robot collaboration

At the productronica trade fair in Munich this November, the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT will be presenting Laser-Based Tape-Automated Bonding, LaserTAB for short. The experts from Aachen will be demonstrating how new battery cells and power electronics can be micro-welded more efficiently and precisely than ever before thanks to new optics and robot support.

Fraunhofer ILT from Aachen relies on a clever combination of robotics and a laser scanner with new optics as well as process monitoring, which it has developed...

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Legionellen? Nein danke!

25.09.2017 | Veranstaltungen

Posterblitz und neue Planeten

25.09.2017 | Veranstaltungen

Hochschule Karlsruhe richtet internationale Konferenz mit Schwerpunkt Informatik aus

25.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Legionellen? Nein danke!

25.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Hochvolt-Lösungen für die nächste Fahrzeuggeneration!

25.09.2017 | Seminare Workshops

Seminar zum 3D-Drucken am Direct Manufacturing Center am

25.09.2017 | Seminare Workshops