Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie menschliche Zellen schädigende Verklumpungen von Proteinen auflösen können

11.08.2015

Heidelberger Forscher entschlüsseln fundamentalen Mechanismus mit Hilfe von In-vitro-Experimenten

Verklumpte Proteine können mit Hilfe zellulärer Reparatursysteme aufgelöst werden. Der fundamentale Mechanismus, der in menschlichen Zellen beim Auflösen dieser Proteinaggregate zum Tragen kommt, ist jetzt von Heidelberger Wissenschaftlern entschlüsselt worden.

Wie ihre In-vitro-Experimente zeigen, handelt es sich um einen mehrstufigen biochemischen Vorgang, bei dem Proteinmoleküle aus den Verklumpungen herausgelöst werden. An den Arbeiten haben Forscher des Zentrums für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, des Deutschen Krebsforschungszentrums und des Heidelberger Instituts für Theoretische Studien sowie weitere Wissenschaftler aus Deutschland, den USA und der Schweiz mitgewirkt. Die Forschungsergebnisse wurden in „Nature“ veröffentlicht.

In allen Zellen – vom Bakterium bis zum Menschen – treten Proteine in ihrem natürlichen Zustand gefaltet auf: Proteine werden zunächst als lange Ketten aufeinanderfolgender Aminosäuren hergestellt und müssen eine bestimmte dreidimensionale Struktur annehmen, sich also falten, um funktionsfähig zu sein.

Dieser Zustand der korrekten Faltung, die Proteinhomeostase, ist ständig bedroht durch äußere und innere Einflüsse. Schadhafte Proteine verlieren ihre Struktur und entfalten sich. Dabei besteht die Gefahr, dass sie miteinander verklumpen.„Kommt es zur Bildung solcher Aggregate, kann dies Zellen schädigen oder sogar zum Zelltod führen, wie es bei neurodegenerativen Erkrankungen, etwa Alzheimer und Parkinson, oder auch bei Vorgängen des Alterns der Fall ist“, erklärt Prof. Dr. Bernd Bukau, der Direktor des Zentrums für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg (ZMBH) ist und zugleich am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) forscht.

Wie Prof. Bukau erläutert, verklumpen schadhafte Proteine nicht nur während des Alterungsprozesses. Eine Ansammlung von Proteinen kann auch auftreten bei Veränderungen der Proteinstruktur durch Mutation sowie durch chemische oder umweltbedingte Belastungen. So kann zum Beispiel eine Änderung der Wachstumsbedingungen wie ein Anstieg der Umgebungstemperatur dazu führen, dass Proteine ihre Struktur verlieren und sich entfalten. „Die Bildung von Proteinaggregaten in verschiedenen Organen des menschlichen Körpers wird mit einer großen Anzahl von menschlichen Erkrankungen in Verbindung gebracht, zu denen auch Stoffwechselstörungen gehören“, so der ZMBH-Direktor.

Nach Angaben der Wissenschaftler war bislang wenig bekannt, wie das natürliche Abwehrsystem des Menschen den Prozess der Proteinverklumpung in jungen gesunden Zellen wirksam umkehrt. „Aggregate von Proteinen aufzulösen, ist ein entscheidender Schritt, um schadhafte Proteine ,wiederzuverwerten‘ und einen Schutz gegen stresssbedingte Zellschädigungen aufbauen zu können. Wir hatten mehrere Hinweise darauf, wer die Hauptbeteiligten in diesem Prozess sind, wussten aber nicht, wie der Ablauf konkret aussieht“, sagt der Leiter der Untersuchungen, Dr. Nadinath Nillegoda, der dem Team von Prof. Bukau angehört. Den Forschern ist es nun gelungen, einen bisher unbekannten und aus mehreren Komponenten aufgebauten Proteinkomplex zu identifizieren, der – unter In-vitro-Bedingungen – wirksam stressbedingte Aggregate von Proteinen auflöst.

Dieser Komplex besteht aus molekularen Faltungshelfern, den Chaperonen, die in diesem Fall zur Klasse der Hitzeschockproteine 70 (Hsp70) gehören. Dabei handelt es sich um Proteine, die anderen Proteinen bei der Faltung helfen. Teil des von den Heidelberger Wissenschaftlern untersuchten Proteinkomplexes sind außerdem Co-Chaperone, die die Hsp70-Aktivität regulieren. Von zentraler Bedeutung sind hier, so Prof. Bukau, die Co-Chaperone der sogenannten J-Proteinfamilie, die den Faltungshelfer Hsp70 an die Proteinaggregate „locken“ und dort zielgenau aktivieren. „Der Schlüsselbefund unserer Arbeit ist, dass zwei Typen dieser J-Proteine dynamisch miteinander wechselwirken müssen, um die Faltungshelfer Hsp70 maximal für die Auflösung der Proteinaggregate zu aktivieren. Erst dadurch entsteht eine potente zelluläre Aktivität zur Umkehrung dieser Aggregate.“

Die computerbasierte Datenanalyse dieser Forschungsarbeiten übernahmen Wissenschaftler des Heidelberger Instituts für Theoretische Studien (HITS). Für das experimentelle Design und die Integration von Daten aus einer Reihe von Untersuchungen entwickelten sie auf dem Gebiet des sogenannten Protein-Protein-Docking eine spezielle Modellierungsmethode, um die Bildung der Chaperonkomplexe zu simulieren. Diese Modellierung auf molekularer Ebene bildete nach den Worten von Prof. Dr. Rebecca Wade, die Forschungsgruppenleiterin am HITS ist und ebenfalls am ZMBH forscht, die entscheidende Grundlage für das Verständnis der dynamischen Interaktionen, die der koordinierten Aktivität der zwei J-Proteintypen im Chaperonkomplex zugrundeliegt.

Nach Angaben von Prof. Bukau steht die Forschung nun vor der großen Herausforderung, die physiologische Rolle und das Potential dieses neuentdeckten Mechanismus soweit zu verstehen, dass die Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung für die Umsetzung in den klinischen Bereich genutzt werden können. Die Forscher erhoffen sich davon neue Anstöße für die künftige Entwicklung von therapeutischen Interventionsmethoden. An den aktuellen Arbeiten haben neben den Wissenschaftlern des ZMBH, des DKFZ und des HITS auch Forscher des Leibniz-Instituts für Molekulare Pharmakologie in Berlin, der Northwestern University in Illinois (USA) und der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (Schweiz) mitgewirkt.

Originalpublikation:
N. B. Nillegoda, J. Kirstein, A. Szlachcic, M. Berynskyy, A. Stank, F. Stengel, K. Arnsburg, X. Gao, A. Scior, R. Aebersold, D. L. Guilbride, R. C. Wade, R. I. Morimoto, M. P. Mayer and Bernd Bukau: Crucial HSP70 co-chaperone complex unlocks metazoan protein disaggregation. Nature (published online 5 August 2015), doi:10.1038/nature14884

Kontakt:
Prof. Dr. Bernd Bukau
Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg
Telefon (06221) 54-6850
direktor@zmbh.uni-heidelberg.de

Kommunikation und Marketing
Pressestelle, Telefon (06221) 54-2311
presse@rektorat.uni-heidelberg.de

Weitere Informationen:

http://www.zmbh.uni-heidelberg.de/bukau/default.shtml

Marietta Fuhrmann-Koch | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Neuer Abwehrmechanismus gegen Sauerstoffradikale entdeckt
18.06.2018 | Universität Bern

nachricht Umwandlung von nicht-neuronalen Zellen in Nervenzellen
18.06.2018 | Universitätsmedizin der Johannes Gutenberg-Universität Mainz

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: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Im Focus: First real-time test of Li-Fi utilization for the industrial Internet of Things

The BMBF-funded OWICELLS project was successfully completed with a final presentation at the BMW plant in Munich. The presentation demonstrated a Li-Fi communication with a mobile robot, while the robot carried out usual production processes (welding, moving and testing parts) in a 5x5m² production cell. The robust, optical wireless transmission is based on spatial diversity; in other words, data is sent and received simultaneously by several LEDs and several photodiodes. The system can transmit data at more than 100 Mbit/s and five milliseconds latency.

Modern production technologies in the automobile industry must become more flexible in order to fulfil individual customer requirements.

Im Focus: ALMA entdeckt Trio von Baby-Planeten rund um neugeborenen Stern

Neuartige Technik, um die jüngsten Planeten in unserer Galaxis zu finden

Zwei unabhängige Astronomenteams haben mit ALMA überzeugende Belege dafür gefunden, dass sich drei junge Planeten im Orbit um den Säuglingsstern HD 163296...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Simulierter Eingriff am virtuellen Herzen

18.06.2018 | Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz – Schafft der Mensch seine Arbeit ab?

15.06.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Asteroidenforschung in Garching

13.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neuer Abwehrmechanismus gegen Sauerstoffradikale entdeckt

18.06.2018 | Biowissenschaften Chemie

Umwandlung von nicht-neuronalen Zellen in Nervenzellen

18.06.2018 | Biowissenschaften Chemie

Im Fußballfieber: Rittal Cup verspricht Spannung und Spaß

18.06.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics