Aufklärung mit Spektroskopie

Neues Prinzip der Proteinbindung entdeckt

UZH-Forschende haben ein bisher unerkanntes Prinzip entdeckt, wie Eiweiße miteinander interagieren und sich Zellen organisieren. Zwei Proteine ohne jegliche Struktur bilden durch ihre entgegengesetzte Ladung einen enorm fest bindenden Komplex. Normalerweise binden zwei Proteine, indem Bereiche ihrer dreidimensionalen Form exakt zueinander passen.

Einzelmolekül-Fluoreszenzspektroskopie macht Bindungsprinzip von unstrukturierten Proteinen sichtbar. (Bild: Christoph Schumacher, dunkelweiss)

Proteine zählen zu den wichtigsten Biomolekülen und sind hauptverantwortlich für die Kommunikation zwischen und innerhalb von Zellen. Damit zwei Eiweiße aneinander binden können, müssen bestimmte Bereiche ihrer räumlichen Struktur exakt zueinander passen – so wie ein Schlüssel ins Schloss passt. Die Proteinstruktur ist enorm wichtig, damit ein Eiweiss funktioniert und in den Zellen die gewünschte Reaktion ausgelöst wird. Nun haben Wissenschaftler der Universität Zürich in Zusammenarbeit mit Forschenden aus Dänemark und der USA herausgefunden, dass auch unstrukturierte Proteine enorm fest binden können.

Wie gekochte Nudeln im Salzwasser
Eines dieser Proteine ist Histon H1, das für die Verpackung der DNA in Form von Chromosomen zuständig ist. Sein Bindungspartner, Prothymosin α, agiert als eine Art Shuttle, der das Histon auf der DNA deponiert bzw. wieder davon entfernt. Dieser Prozess bestimmt, ob die Gene auf einer bestimmten DNA-Region abgelesen werden können oder nicht. Beide Proteine sind bei einer Vielzahl von Regulationsvorgängen im Körper beteiligt wie der Zellteilung und -vermehrung. Sie spielen daher auch bei vielen Krankheiten eine Rolle, z.B. bei Krebs. Ben Schuler, Professor am Biochemischen Institut und Leiter der in Nature publizierten Forschungsarbeit, erklärt: "Interessant an diesen zwei Proteinen ist, dass sie keinerlei Struktur aufweisen – ähnlich wie gekochte Nudeln, die im Salzwasser schwimmen". Wie solch ungeordnete Proteine gemäß dem Schlüssel-Schloss-Prinzip miteinander interagieren, stellte die Forschenden vor ein Rätsel.

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Ultrafeste Bindung trotz fehlender Struktur
Erstaunlich ist, dass die beiden Proteine um ein Vielfaches fester aneinander binden verglichen mit der durchschnittlichen Bindungsstärke von Eiweißen. Mit Hilfe von Einzelmolekül-Fluoreszenz- und Kernresonanz-Spektroskopie ermittelte das Forschungsteam die räumliche Anordnung der beiden Proteine. Isoliert betrachtet zeigen sich ausgedehnte unstrukturierte Proteinketten. Ihre Dimension wird kompakter, sobald die beiden Bindungspartner aufeinandertreffen und einen Komplex bilden. Verantwortlich für die starke Bindung ist die elektrostatische Anziehung, da Histon H1 stark positiv und Prothymosin α stark negativ geladen ist. Noch überraschender war die Entdeckung, dass auch der Komplex gänzlich unstrukturiert ist, wie mehrere Analysen übereinstimmend ergeben haben.

Strukturloser, aber hochdynamischer Komplex
Um zu untersuchen, wie der Proteinkomplex aussieht, versahen die Wissenschaftler beide Proteine mit Fluoreszenzmarkern, die sie an ausgewählten Positionen auf den Eiweißen anbrachten. Mit Hilfe dieses molekularen Maßstabs sowie Computersimulationen ergab sich folgendes Bild: Histon H1 interagiert mit Prothymosin α bevorzugt in seiner Mitte, wo sich die größte Ladungsdichte befindet. Zudem zeigte sich, dass sich die Proteine hochdynamisch verhalten: Im Komplex verändern sie ihre räumliche Anordnung extrem schnell – im Bereich von ca. 100 Nanosekunden.

Neues Bindungsprinzip vermutlich weitverbreitet
Das von den UZH-Forschenden entdeckte Bindungsverhalten ist vermutlich weitverbreitet: In Lebewesen befinden sich zahlreiche Eiweiße, die über zusammenhängende hochgeladene Proteinsequenzen verfügen und möglicherweise solche Komplexe bilden können. Allein im menschlichen Körper existieren mehrere Hundert solcher Proteine. "Die Bindung von ungeordneten hochgeladenen Proteinen dürfte ein fundamentales Prinzip dafür sein, wie Zellen funktionieren und sich organisieren", folgert Ben Schuler. Um diesem neuen Bindungsprinzip Rechnung zu tragen, so der Biophysiker, müssten zukünftig die Lehrbücher revidiert werden. Relevant ist diese Entdeckung auch für die Entwicklung neuer Therapien, da unstrukturierte Eiweiße für klassische Medikamente, die an spezifische Strukturen auf der Proteinoberfläche binden, weitgehend unempfänglich sind.

Literatur:
Alessandro Borgia, Madeleine B. Borgia, Katrine Bugge, Vera M. Kissling, Pétur O. Heidarsson, Catarina B. Fernandes, Andrea Sottini, Andrea Soranno, Karin J. Buholzer, Daniel Nettels, Birthe B. Kragelund, Robert B. Best, Benjamin Schuler. Extreme disorder in an ultra-high-affinity protein complex. Nature. 21 February 2018. DOI: 10.1038/nature25762

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