Strukturanalyse komplexer Proteine

Signalproteine mit atomarer Auflösung dargestellt

Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig haben eine neue Methode entwickelt, mit der sich auch Strukturen sehr großer Proteinkomplexe hochauflösend darstellen lassen.

NMR-spektroskopische Daten und ein Rechenalgorithmus führen zur Darstellung der hochauflösenden Struktur von Proteinen (© Benjamin Bardiaux).

Bei einer Virusinfektion erkennt unser Körper bestimmte Moleküle des Erregers als „fremd“ und startet eine Signalkaskade, um den Eindringling zu bekämpfen. Ein zentraler Knotenpunkt dieser Kaskade ist das „Mitochondrial antiviral signaling protein“ (MAVS), das die Braunschweiger Forscher nun genauer untersuchten. „Wir haben uns für MAVS-Proteine entschieden, da sie eine wichtige Rolle für die Signalübertragung unseres angeborenen Immunsystems spielen. Diese Proteine reagieren auf viele verschiedene Viren, vor allem auf RNA-Viren wie Hepatitis, Influenza oder Dengue“, erklärt Prof. Christiane Ritter, die am HZI die Kernspinresonanzspektroskopie-Plattform leitet. Das Protein kommt auf der Mitochondrienhülle, die unsere Zellen mit Energie versorgt, vor und ist somit maßgeblich an der Abwehr von Infektionen beteiligt.

Bei der Infektion mit einem Virus lagert sich das Protein zu einer spiralförmig angeordneten Superstruktur zusammen, deren hochaufgelöste dreidimensionale Darstellung bislang schwierig war. Durch die Kombination von NMR-Daten mit dem Rechenalgorithmus konnten die Forscher beim MAVS-Protein nun die Symmetrie einzelner Moleküle auf schraubenförmigen Filamenten hochauflösend aufklären.
Prinzipiell misst die NMR-Spektroskopie Distanzen zwischen einzelnen Atomkernen, aus denen sich ein Bild errechnen lässt. Um die Struktur korrekt bestimmen zu können, müssen bei Proteinkomplexen aber zusätzlich noch die Kontaktstellen zwischen den Einzelbausteinen zugeordnet werden. Dazu ist es erforderlich, die einzelnen Proteinmoleküle voneinander getrennt zu betrachten. „Das haben wir über biochemische Ansätze und besondere Probenvorbereitung gelöst“, sagt Ritter. Der neu entwickelte Algorithmus überprüft systematisch alle Möglichkeiten der Symmetrie. Er gleicht dabei die Ergebnisse dieser Überprüfung mit den NMR-spektroskopischen Daten ab und liefert so eine genaue bildliche Darstellung des Proteins.

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Das Verfahren funktioniert selbstverständlich nicht nur bei MAVS-Proteinen. Zukünftig könnten es Forscher bei allen Proteinkomplexen einsetzen, die symmetrische und filamentartige Strukturen aufweisen. Neben weiteren Signalproteinen könnten mit dem Verfahren auch Moleküle auf der Oberfläche von Bakterien untersucht werden.
Die neue Strukturanalyse legt den Grundstein für die Wirkstoffforschung, hilft aber auch dabei das Immunsystem und dessen Reaktion besser zu verstehen. Das ist essentiell, um beispielsweise Wirkstoffe entwickeln zu können, die in die Regulierung unseres Immunsystems eingreifen. „Die Kombination von NMR-Daten mit einem Rechenalgorithmus zur Strukturbestimmung von helikalen Superstrukturen ist sowohl ein technischer, als auch biologischer Fortschritt“, sagt Ritter.

Originalpublikation
Lichun He, Benjamin Bardiaux, Mumdooh Ahmed, Johannes Spehra, Renate König, Heinrich Lünsdorf, Ulfert Rand, Thorsten Lührs and Christiane Ritter. Structure determination of helical filaments by solid-state NMR spectroscopy. PNAS. 2016 Jan 6. DOI: 10.1073/pnas.1513119113.

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