Intermolekulare Bindungen

Proteine mit interface add-ons

Ein bisher nicht bekanntes Konstruktionsprinzip, das wesentlich dazu beiträgt, dass Proteine in einer Zelle die jeweils richtigen Bindungspartner finden, konnte nun an der Universität Regensburg identifiziert werden.

Proteininterfaces, hier in Blau und Rot dargestellt, müssen eine Vielzahl von Aufgaben erfüllen. Dazu gehören z.B. der Stofftransport oder die Weiterleitung von Signalen zwischen den Interaktionspartnern. Die Summe dieser Ansprüche bedingt den Aufbau dieser Kontaktfläche. Add-ons sind Interfaceelemente, die aufgrund ihrer randständigen Lage funktionsneutral sind. Sie sorgen aber, ähnlich wie zusätzliche Elemente eines Schlüsselbartes, für spezifische Interaktionen (rechts), da die unspezifische Bindung von Proteinen mit ähnlich aufgebautem Interface unterdrückt wird (links) (© Dr. Maximilian Plach).

Proteine bilden nicht nur das Grundgerüst lebender Zellen, sie sind auch entscheidend an der Weitergabe der Erbinformation, am Stoffwechsel sowie an der Aufnahme und Verarbeitung von äußeren Signalen beteiligt. Um ihre Aufgaben zu bewältigen, fügen sich Proteine in der Regel zu größeren Komplexen zusammen.

Die Schnittstelle für die Interaktion von Nutzern mit einem Computerprogramm wird Interface genannt. Genauso heißt der Bereich der Proteinoberfläche, der für die Wechselwirkung mit anderen Proteinen verantwortlich ist. Aufgrund ihrer Funktion und einer gemeinsamen Evolutionsgeschichte sind viele dieser Proteinoberflächen sehr ähnlich aufgebaut. Es konnten sich kaum Strukturelemente entwickeln, die den Interfaces zusätzlich Spezifität verleihen.

Regensburger Forscher um Dr. Maximilian Plach, Prof. Dr. Rainer Merkl und Prof. Dr. Reinhard Sterner vom Institut für Biophysik und physikalische Biochemie konnten nun Interface-Elemente identifizieren, die nur in manchen Proteinen vorhanden sind und in anderen verwandten und strukturell ähnlichen Proteinen fehlen. Diese Teilstrukturen werden daher als „interface add-ons“ bezeichnet. Sie erhöhen, ähnlich wie die add-ons eines Webbrowsers oder zusätzliche Elemente eines Schlüsselbartes, die Spezifität bestimmter Interaktionen und schließen unerwünschte aus.

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Der Nachweis, dass interface add-ons in einer großen Anzahl von Proteinkomplexen die Bindungsspezifität determinieren, erforderte die bioinformatische Analyse von mehr als 15000 Genomen, mehr als 1700 dreidimensionalen Proteinstrukturen sowie umfassende biochemische Studien. Ein Beispiel für die Wirkung von interface add-ons ist folgendes: Bakterien greifen für die Biosynthese von Tryptophan und Folsäure häufig auf Proteine mit ähnlichen Interfaces zurück. Die Anwesenheit von interface add-ons verhindert deren unerwünschtes Zusammenwirken. Daher besitzen Bakterien, deren Komplexe kein interface add-on aufweisen, einen Wachstumsnachteil gegenüber ihren besser angepassten Konkurrenten.

Originalartikel

Die Ergebnisse der Regensburger Wissenschaftler und ihrer Kooperationspartner an der Ohio State University in den USA wurden jüngst in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)“ veröffentlicht.

Download zum Artikel unter: http://www.pnas.org/content/early/2017/09/12/1707335114.abstract.

 

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