Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Kontrolliertes Recycling in der Zelle: Wissenschaftler der TU München entdecken Erkennungs-Mechanismus beim Protein-Abbau

nächste Meldung

Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) identifizierten in Zusammenarbeit mit Kollegen aus den Universitäten Minnesota (USA) und Frankfurt sowie der Harvard Medical School (USA) einen lang gesuchten Rezeptor am Proteasom, der zum Abbau vorgesehene Eiweiß-Moleküle erkennt.

Erstmals konnte die dreidimensionale Struktur der Bausteine und der Mechanismus der Erkennung aufgeklärt werden. Die Untersuchung der Abbaumechanismen soll Strategien liefern, mit denen Erkrankungen wie Krebs, Alzheimer oder auch Mucoviszidose bekämpft werden können. Die Forschungsarbeit wird heute in der aktuellen Ausgabe von "Nature" veröffentlicht.

Eiweiße oder Proteine sind die zentralen Bausteine lebender Zellen. Bei Bedarf werden sie aufgebaut und nach getaner Arbeit müssen sie zügig wieder abgebaut werden. Hierfür verfügt die Zelle über ein ausgeklügeltes Recycling-System: Nicht mehr benötigte Eiweiße werden mit einem kleinen Protein namens Ubiquitin markiert. Solche als "Abfall" markierten Bausteine werden dann im zentralen "Müllschredder" der Zelle, dem Proteasom, in kurze Stücke zerhackt.

Das Proteasom ist ein aus 28 Untereinheiten aufgebauter, stabiler Zylinder. Eine Art Deckel verhindert, dass Proteine zufällig hinein geraten und zerstört werden. Ein Schleusensystem im Deckel erkennt als Abfall markierte Bausteine. Es spaltet die Ubiquitin-Markierung ab, faltet die verschlungene Eiweißkette auf und befördert sie in den Schredder. Den TUM-Wissenschaftlern ist es nun erstmals gelungen, die dreidimensionale Struktur von Rpn13 zu bestimmen, einer Schlüsselkomponente des Schleusensystems.

Alles deutet darauf hin, dass die Forscher hierbei einen besonderen Kontrollmechanismus entdeckt haben: Fälschlicherweise markierte Proteine tragen meist nur ein oder zwei Ubiquitin-Markierungen. Eiweiße, die definitiv nicht mehr benötigt werden, tragen eine Kette mit mehreren Ubiquitin-Einheiten. Markierte Proteine docken nun mit dem Ubiquitin-Rest an Rpn13 an. Das Besondere an diesem Rezeptor: Auf einer Seitenkette sitzt ein Enzym, das Ubiquitin-Einheiten abschneidet. Trägt das an den Rezeptor andockende Protein nun nur wenige Ubiquitin-Moleküle, so werden diese abgeschnitten und das Protein kommt wieder frei. Besitzt das Protein eine längere Ubiquitinkette, reicht das Abschneiden der Ubiquitin-Einheiten nicht aus. Es bleibt am Rezeptor hängen und wandert in den Schredder.

Als die Wissenschaftler Proteasome von Säugetieren und Hefezellen verglichen stellten sie fest, dass die Hefezellen den beschriebenen Mechanismus nicht besitzen. "Dieser Kontroll-Mechanismus scheint sich im Laufe der Evolution erst bei höheren Lebensformen heraus gebildet zu haben," sagt Michael Groll, Professor für Biochemie an der TU München. Überraschender Weise zeigten Hefezellen, denen Rpn13 fehlte, keine nennenswerten Unterschiede zu gesunden Zellen, die über die Rpn13-Einheit verfügt. Die Forscher schließen daraus, dass es neben dem beschriebenen noch weitere Ubiquitin-Erkennungssysteme geben muss, die die Funktion von Rpn13 ausgleichen können. Denn für einen Organismus wäre es fatal, wenn er nur einen Ubiquitin-Rezeptor besäße. Krankheitserreger könnten diesen umgehen, und der Organismus wäre dann hilflos ausgeliefert.

"Trotz weltweitem Interesse ist über die verschiedenen Kontrollmechanismen des Proteasoms bisher nur wenig bekannt. Und dies, obwohl das Protein-Recycling einer der wichtigsten zelluären Prozesse überhaupt ist," erläutert Michael Groll. So spielt die unwiederbringliche Zerstörung beim Wachstum benötigter Proteine wahrscheinlich eine zentrale Rolle für die Entwicklung von der embryonalen Stammzelle zur Herzmuskel- oder Nervenzelle. Bei Krankheiten wie Alzheimer oder bei Prionen-Infektionen entstehen Protein-Verklumpungen. Auch hier könnte die gezielte Beeinflussung der Abbaumechanismen völlig neue Strategien gegen die Krankheiten ermöglichen. Ein vom Proteasom gesteuerter Prozess wird bereits bei der Krebstherapie genutzt: Krebszellen sind darauf angewiesen, schneller zu wachsen als die sie umgebenden normalen Zellen. Bremst man die Aktivität des Proteasoms mit einem Medikament, so werden alle Zellprozesse verlangsamt. Bestrahlt man nun die Zellen, so werden die auf schnelles Wachstum angewiesenen Krebszellen stärker geschädigt als die gesunden daneben.

Die nun in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift "Nature" veröffentlichte Arbeit wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (SFB 740 und Exzellenzcluster 115 "Macromolecular Complexes") und die National Institutes of Health (USA) gefördert.

Dr. Ulrich Marsch | idw
Weitere Informationen:
http://www.nature.com/nature/journal/v453/n7194/#lt
http://www.nature.com/nature/journal/v453/n7194/edsumm/e080522-07.html
http://www.tu-muenchen.de/

nächste Meldung

Im Focus: Geminiden - Die Wünsch-dir-was-Sternschnuppen vor Weihnachten

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde (VdS) und des Hauses der Astronomie in Heidelberg - Die Geminiden, die Mitte Dezember zu sehen sind, sind der "zuverlässigste" der großen Sternschnuppen-Ströme mit bis zu 120 Sternschnuppen pro Stunde. Leider stört in diesem Jahr der Mond zur besten Beobachtungszeit.

Sie wurden nach dem Sternbild Zwillinge benannt: Die „Geminiden“ sorgen Mitte Dezember immer für ein schönes Sternschnuppenschauspiel. In diesem Jahr sind die...

Im Focus: Das 136 Millionen Atom-Modell: Wissenschaftler simulieren Photosynthese

Die Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie ist für das Leben unerlässlich. In einer der größten Simulationen eines Biosystems weltweit haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diesen komplexen Prozess an einem Bestandteil eines Bakteriums nachgeahmt – am Computer, Atom um Atom. Die Arbeit, die jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Cell“ veröffentlicht wurde, ist ein wichtiger Schritt zum besseren Verständnis der Photosynthese in einigen biologischen Strukturen. An der internationalen Forschungskooperation unter Leitung der University of Illinois war auch ein Team der Jacobs University Bremen beteiligt.

Das Projekt geht zurück auf eine Initiative des inzwischen verstorbenen, deutsch-US-amerikanischen Physikprofessors Klaus Schulten von der University of...

Im Focus: Developing a digital twin

University of Texas and MIT researchers create virtual UAVs that can predict vehicle health, enable autonomous decision-making

In the not too distant future, we can expect to see our skies filled with unmanned aerial vehicles (UAVs) delivering packages, maybe even people, from location...

Im Focus: Freiformflächen bis zu 80 Prozent schneller schlichten: Neue Werkzeuge und Algorithmen für die Fräsbearbeitung

Beim Schlichtfräsen komplexer Freiformflächen können Kreissegment- oder Tonnenfräswerkzeuge jetzt ihre Vorteile gegenüber herkömmlichen Werkzeugen mit Kugelkopf besser ausspielen: Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen entwickelte im Forschungsprojekt »FlexiMILL« gemeinsam mit vier Industriepartnern passende flexible Bearbeitungsstrategien und implementierte diese in eine CAM-Software. Auf diese Weise lassen sich große frei geformte Oberflächen nun bis zu 80 Prozent schneller bearbeiten.

Ziel im Projekt »FlexiMILL« war es, für die Bearbeitung mit Tonnenfräswerkzeugen nicht nur neue, verbesserte Werkzeuggeometrien zu entwickeln, sondern auch...

Im Focus: Bis zu 30 Prozent mehr Kapazität für Lithium-Ionen-Akkus

Durch Untersuchungen struktureller Veränderungen während der Synthese von Kathodenmaterialen für zukünftige Hochenergie-Lithium-Ionen-Akkus haben Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und kooperierender Einrichtungen neue und wesentliche Erkenntnisse über Degradationsmechanismen gewonnen. Diese könnten zur Entwicklung von Akkus mit deutlich erhöhter Kapazität beitragen, die etwa bei Elektrofahrzeugen eine größere Reichweite möglich machen. Über die Ergebnisse berichtet das Team in der Zeitschrift Nature Communications. (DOI 10.1038/s41467-019-13240-z)

Ein Durchbruch der Elektromobilität wird bislang unter anderem durch ungenügende Reichweiten der Fahrzeuge behindert. Helfen könnten Lithium-Ionen-Akkus mit...