Chaperone

Molekulare Leibwächter für unreife Membranproteine

Viele Proteine sind während ihrer Entstehung in der Zelle auf die Hilfe molekularer Beschützer, sogenannter Chaperone, angewiesen. Diese wachen darüber, dass sich die Proteine in ihre richtige Struktur falten.

Chaperone (hellblau) helfen beim Einbau und der Faltung des bakteriellen Membranproteins FhuA (gelb). (Bild: Universität Basel, Biozentrum)

Welche Rolle Chaperone bei der Faltung von Membranproteinen spielen können, war lange Zeit ungeklärt. Forschende vom Biozentrum der Universität Basel und der ETH Zürich konnten nun zeigen, wie Chaperone ein unreifes bakterielles Membranprotein stabilisieren, in die richtige Faltungsrichtung lenken und so vor Fehlfaltung schützen.
Ununterbrochen produzieren Maschinen in der Zelle lange Peptidketten, die Proteine.

Damit ein Protein seine Aufgaben ordentlich erfüllen kann, muss es dann aber zunächst seine richtige räumliche Struktur einnehmen. In jeder Zelle gibt es dazu molekulare Helferproteine, genannt Chaperone. Sie passen auf die noch unreifen Proteine auf, helfen ihnen bei der Faltung und verhindern Fehler.

Forscher um Sebastian Hiller, Professor am Biozentrum der Universität Basel, und Daniel Müller, Professor am Department Biosysteme (D-BSSE) der ETH Zürich in Basel, haben herausgefunden, wie zwei Chaperone im Darmbakterium E. coli das Membranprotein FhuA beim Transport beschützen und ihm beim Einfädeln in die Membran assistieren.

Chaperone helfen beim Einfädeln von Membranprotein

In der äußeren Membran von Bakterien sind unzählige Proteine eingebettet, die Nährstoffe und Signalmoleküle transportieren. Eines dieser membranständigen Transporter ist das Protein FhuA. Mithilfe dieses Proteins nehmen die Bakterien das für sie lebenswichtige Eisen, aber auch Antibiotika auf. Doch wie gelangt nun das sehr große, fassförmige FhuA-Protein unbeschädigt in die äußere Membran? Dieser Frage sind die Wissenschaftler vom Biozentrum und dem D-BSSE auf den Grund gegangen.

Anzeige

Um sich einen Weg in die äußere Membran zu ebnen, bedient sich FhuA der Hilfe zweier Chaperone. Mittels Strukturanalysen und Einzelmolekül-Kraftspektroskopie konnten die Forscher nun erstmals aufklären, wie die beiden Chaperone das noch unreife Protein stabilisieren und eine Fehlfaltung verhindern. „Dieser Vorgang ist überaus dynamisch“, erklärt Hiller. „Im Schutz der Chaperone wechselt FhuA ständig innerhalb tausendstel von Sekunden seine Struktur. So kann es energetisch günstige Zustände suchen, die das schrittweise Einfädeln einzelner Proteinabschnitte in die Membran erst ermöglichen.“ Mit dem Einbau des letzten Abschnittes erhält FhuA dann seine reife, funktionstüchtige Fassstruktur. Ungeschützt würde sich FhuA falsch falten und schließlich verklumpen.

Protein-Chaos ohne Chaperone

Chaperone sind maßgeblich an der Bildung funktionstüchtiger Proteine beteiligt. Sie spielen für die richtige Faltung löslicher Proteine eine wichtige Rolle, und sind darüber hinaus für den Einbau von komplexen Proteinmolekülen in die äußere Membran von Bakterien notwendig. Da verschiedene Organellen in pflanzlichen und tierischen Zellen bakteriellen Ursprungs sind, schützen auch hier Chaperone auf ähnliche Weise die Proteine und helfen beim Einbau. Den Studien kommt daher höchste Wichtigkeit zu für Krankheiten durch fehlgefaltete Proteine, wie Alzheimer, Parkinson oder Mukoviszidose.

„Dass Chaperone andere Proteine vor Fehlfaltung schützen und deren korrekte Faltung begünstigen, ist schon länger bekannt. Durch unsere Arbeit konnten wir nun erstmals an biologischen Zellen aufzeigen, wie Chaperone die für die Pharmaforschung wichtigen Membranproteine bei der Faltung unterstützen“, erklärt ETH-Professor Daniel Müller. Bisher habe man dies fast ausschließlich anhand künstlicher Umgebungen untersuchen können. Dadurch habe man jedoch kaum verstanden, wie sich Proteine in die Membran einer Zelle falten.

„Grob gesagt war es bisher so, als ob man eine Kuh aufs Eis stellt, um ihr natürliches Verhalten zu untersuchen, dann aber überraschende Reaktionen beobachtet, von denen wir nicht wissen können, ob sie ‹normal› sind“, sagt Müller. „Wir verstehen nun besser, wie die Zelle ihre molekularen Maschinchen in die Zellmembran einbaut, so dass sie dort ihre Aufgaben erfüllen können.“

Originalbeitrag:
Johannes Thoma, Björn M Burmann, Sebastian Hiller & Daniel J Müller: Impact of holdase chaperones Skp and SurA on the folding of β-barrel outer-membrane proteins. Nature Structural & Molecular Biology (2015), DOI: 10.1038/nsmb.3087.
Weitere Auskünfte:
Prof. Sebastian Hiller, Universität Basel, Biozentrum, E-Mail: sebastian.hiller@unibas.ch.
Prof. Daniel J. Müller, ETH Zürich, Departement Biosysteme, E-Mail: daniel.mueller@bsse.ethz.ch.

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige

Schnellster Feuchtebestimmer am Markt für Feuchte-/Feststoffgehalt

Der Feuchtebestimmer SMART 6 analysiert den Feuchtegehalt jeder Probe in nur 2 min. Ob nass oder trocken, Feststoff, Pulver oder Suspension – egal! Alle Probenarten werden dank der Kombination Mikrowelle/Halogen schnell und präzise bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Dank der Temperaturkontrolle sind die Messwerte vergleichbar zu den Standardmethoden.

mehr...
Anzeige
Anzeige

Schnelle automatisierte Lösemittel Extraktion

Das EDGE Extraktionssystem ist ein sequentielles System für die schnelle automatisierte Lösemittel-Extraktion. Damit werden unterschiedliche Proben schnell in nur 5 min. extrahiert. Die Extraktionen im EDGE werden unter Druck und bei erhöhten Temperaturen durchgeführt, was zu einer starken Beschleunigung der Reaktionskinetik führt.

Zum Highlight der Woche...

Ribosomale Proteine

Forscher finden „Krebssignatur“

Forscher am Biozentrum der Universität Basel haben die Herstellung ribosomaler Proteine in unterschiedlichen Geweben untersucht und entdeckt, dass verschiedene Krebsarten eine spezifische Signatur aufweisen. Wie sie in „Genome Biology“ berichten,...

mehr...