Zelluläre Schalter: Von der RNA- zur „modernen“ Proteinwelt

Für die zelluläre Signalverarbeitung sind G-Proteine von zentraler Bedeutung. Sie werden als molekulare Schalter beschrieben, deren Übergang von einem An- zu einem Aus-Zustand durch Effektoren reguliert wird. Biochemiker der Universität Heidelberg haben jetzt wesentliche Einsichten in die Mechanik dieser Schalter gewonnen.

Mit Hilfe von Untersuchungen an Bewegungsorganen von Bakterien, den Flagellen, konnten sie einen Effektor identifizieren, der ein bestimmtes G-Protein ausschaltet. Dabei ist es gelungen, diesen Prozess durch Röntgenkristallographie zu visualisieren. Die Forschungsergebnisse bieten auch Einblicke in die Evolution beim Übergang von der RNA- zur „modernen“ Proteinwelt.

Bakterien müssen sich bewegen können, um auf Umweltveränderungen zu reagieren und – wie im Falle von Krankheitserregern – die Infektionsstelle zu erreichen. Flagellen sind die bakteriellen Bewegungsorgane und stellen einen der kleinsten Motoren der Biosphäre dar. Kommt es zur Zellteilung, muss jedes Mal die exakte Position des neu zu bildenden Flagellums festgelegt werden. Dies geschieht durch das G-Protein FlhF. Dabei handelt es sich um einen molekularen Schalter, der scheinbar keine Effektoren benötigt. „Diese Sichtweise wird durch die Identifizierung eines Proteins, das die Rolle des Effektors übernimmt, und seiner mechanistischen Beschreibung in unserer Studie grundlegend verändert“, erläutert Prof. Dr. Irmgard Sinning vom Biochemie-Zentrum der Universität Heidelberg.

Das G-Protein FlhF bildet zusammen mit einem signalsequenz-bindenden Protein (SRP54) und dessen Rezeptor (FtsY) die sehr alte Familie der sogenannten SRP-GTPasen, die nur aus diesen drei Proteinen besteht und für den Proteintransport in oder durch eine Biomembran verantwortlich ist. In allen bekannten Organismen regulieren dabei SRP54 und FtsY die Zielsteuerung von Proteinen mit Hilfe des Signalerkennungspartikels, des signal recognition particle (SRP). Obwohl das SRP-System bereits sehr gut charakterisiert ist, konnte erst vor kurzem gezeigt werden, dass das Protein SRP54 und der Rezeptor FtsY mit der SRP-RNA auf ähnliche Art interagieren wie FlhF mit seinem neu entdeckten Effektor.

„Unsere Studie zum G-Protein FlhF bietet jetzt nicht nur eine Erklärung für den FlhF-Effektor-Komplex, sondern integriert diese Erkenntnis auch in ein generelles Konzept zur Aktivierung der SRP-GTPasen durch RNA oder Proteine“, erläutert Dr. Gert Bange vom Biochemie-Zentrum der Universität Heidelberg. „Am Beispiel von FlhF konnten wir zeigen, wie die ursprüngliche RNA-Welt durch verblüffend einfache Modifikation durch die ,moderne‘ Proteinwelt ersetzt wurde.“ Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Structural & Molecular Biology“ veröffentlicht.

Originalveröffentlichung:
G. Bange, N. Kümmerer, P. Grudnik, R. Lindner, G. Petzold, D. Kressler, E. Hurt, K. Wild, I. Sinning:
Structural basis for the molecular evolution of SRP-GTPase activation by protein. Nat Struct Mol Biol. 2011, 18(12):1376-80. doi: 10.1038/nsmb.2141

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