Die kleinste Angelrute der Welt

Wissenschaftlern gelingt tiefgreifender Einblick in die Schaltstation der Proteinsynthese-Maschinerie

05.07.2005

Ein Konsortium von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Biophysikalische Chemie in Göttingen, einer Max-Planck Arbeitsgruppe am DESY in Hamburg, der Universität Witten-Herdecke und der Moskauer Lomonossov Universität hat die atomare Struktur eines wichtigen Regulationszentrums der Proteinsynthesemaschinerie in lebenden Zellen aufgeklärt und ist dem Verständnis seiner Funktionsweise damit einen entscheidenden Schritt näher gekommen.

Mit einem Durchmesser von ca. 25 Milliardstel Millimetern stellen bereits die einfachsten Ribosomen aus Bakterien auf molekularer Ebene riesige Aggregate dar. Das Ribosom bedient sich einer Reihe von Kontrollproteinen, so genannter Translationsfaktoren, die nur zu bestimmten Zeitpunkten an die zentrale Maschinerie andocken. Einige der Translationsfaktoren funktionieren dabei als molekulare Schalter. Sie tragen kleine, energiereiche Moleküle, die während eines Arbeitsganges chemisch gespalten werden. Diese Spaltung zieht eine Formveränderung der Faktoren nach sich, die vom Ribosom wahrgenommen wird und den Startschuss zur Einleitung des nächsten Arbeitsschrittes gibt. Das Einholen der Translationsfaktoren und das Umlegen der molekularen Schalter werden von einer speziellen Schaltzentrale am Ribosom koordiniert.

Obwohl die Bestandteile dieser Schaltzentrale seit längerem bekannt waren, wusste man bisher wenig über die Art und Weise ihrer Funktion. Um dieser Funktion auf die Schliche zu kommen, hat die Arbeitsgruppe von Markus Wahl vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie zunächst ein detailliertes, dreidimensionales Bild dieses Ribosomenbereiches erstellt. Sie züchteten Kristalle von Teilen des Schaltzentrums und untersuchten deren Streuung im Röntgenlicht. Aus den Streudaten konnten sie die atomare Struktur dieser Komponenten auf 0,2 Nanometer genau berechnen. Frank Schlünzen und Jörg Harms am DESY ermittelten über ähnliche Verfahren die Verankerung des Schaltzentrums an der großen ribosomalen Untereinheit. Wie in einem dreidimensionalen Puzzlespiel passten die Forscher dann alle Teilstrukturen in Hüllen des Ribosoms ein, die mithilfe der Elektronenmikroskopie im Arbeitskreis von Holger Stark bei etwa zehnfach niedrigerer Auflösung sichtbar gemacht wurden. "Von der großen ribosomalen Untereinheit in unmittelbarer Nähe der Stelle, an der die Translationsfaktoren zu liegen kommen, erstreckt sich ein langer, beweglicher Fortsatz", beschreibt Markus Wahl das Bild. "An diesem Fortsatz sind bis zu sechs flexible Molekülketten aufgehängt, jede mit einem kugelförmigen Kopf."

Im Einklang mit früheren Arbeiten, die darauf hindeuteten, dass die Köpfe die ersten Andockstellen für die Translationsfaktoren darstellten, ähnelte die Struktur einer molekularen Angelrute mit sechs Schnüren und je einem Köder, mit denen das Ribosom nach Translationfaktoren "fischen" konnte. Die Forscher vermuteten außerdem, dass die Köpfe auch an die Ribosom-gebundenen Faktoren heranreichen könnten, um deren Schalter umzulegen. Das Labor von Marina Rodnina in Witten testete diese Hypthesen durch gezielte Veränderungen an der "Angelrute": Zunächst wurden die "Köder" durch genetische Verfahren abgeschnitten. Wie erwartet waren die Angelschnüre ohne Köder erfolglos beim "Fischen" nach Faktoren. Auch die Schaltprozesse waren erwartungsgemäß etwa 1000-fach verlangsamt. Dann veränderten die Biochemiker gezielt Oberflächenbausteine der Köpfe, die mit den Translationsfaktoren in Berührung kommen konnten, und störten somit ihre Funktionsweise. "Unsere Ergebnisse zeigten, dass eine ganze Reihe solcher Bausteine gemeinsam für das Einholen der Faktoren und das Umlegen der Schalter verantwortlich sind", erklärt Marina Rodnina.

Da die Fähigkeit zur Proteinsynthese eine elementare Grundlage für alles Leben auf unserer Erde ist, kommen Ribosomen in allen Organismen, vom Bakterium bis zum Menschen, vor und ähneln sich in ihrem Aufbau. Die bakteriellen Ribosomen weisen jedoch Detailunterschiede zu den Ribosomen höherer Organismen auf. So verhindern z.B. einige Antibiotika die Proteinsynthese in Bakterien, aber nicht bei Menschen, Tieren oder Pflanzen. Auch die Schaltzentrale des Ribosoms weist Unterschiede zwischen Bakterien und höheren Organismen auf. Eine genauere Kenntnis der verschiedenen ranslationsprozesse könnte daher eine Grundlage zur Neuentwicklung beispielsweise von Medikamenten gegen Infektionskrankheiten bieten.

Originalveröffentlichung: Cell 2005.

https://www.bionity.com/de/news/47443/die-kleinste-angelrute-der-welt.html