Fakultät für Chemie und Pharmazie

Strukturbiologie: Hängematte am Ende des Tunnels

Bild einer kryo-elektronenmikroskopischen 3D-Rekonstruktion des Komplexes aus Ribosom und N-Acetyltransferase. Bild: Beckmann, LMU

Kaum gebaut, schon verändert: Proteine sind essenziell für jede Zelle. LMU-Strukturbiologen zeigen erstmals, wie die frischen Aminosäureketten noch am Ribosom chemisch modifiziert werden, bevor sie sich zum fertigen Eiweiß falten.

 

Der Biochemiker Professor Roland Beckmann forscht über lebenswichtige Prozesse, wie sie in jeder Zelle ablaufen. Er untersucht die molekularen Abläufe in den Ribosomen, den Proteinfabriken der Zellen. Hier werden laufend aus den Informationen, die dem Erbgut eingeschrieben sind, wie am Fließband Tausende von Molekül-Bausteinen zu Proteinen zusammengesetzt. Nun ist es seiner Arbeitsgruppe am Genzentrum der LMU gelungen, mithilfe der sogenannten Kryo-Elektronenmikroskopie zu zeigen, wie und wo bestimmte Enzyme mit Ribosomen interagieren, um neu gebildete Proteine chemisch zu modifizieren. Diesen Prozess haben die Forscher dreidimensional rekonstruiert. Diese Struktur stellen sie aktuell im Fachmagazin Nature Structural and Molecular Biology vor.

Veränderungen, die für zahlreiche Prozesse der Zellen essenziell sind

Während der Proteinsynthese werden im Ribosom einzelne Proteinbausteine – die Aminosäuren – zu einer Kette verknüpft, die das Ribosom durch einen ribosomalen Tunnel verlässt. Bestimmte Enzyme, sogenannte N-Acetyltransferasen (NATs), nehmen die Kette am Tunnelausgang in Empfang, um sie chemisch zu modifizieren, noch während sie am anderen Ende vom Ribosom weiter verlängert wird. Die Modifikation durch die NATs beeinflusst die Proteinfunktion und ist deshalb für zahlreiche zelluläre Prozesse essenziell. „Bislang war unbekannt, wie diese Acetyltransferasen mit dem Ribosom interagieren“, sagt Co-Autorin Dr. Birgitta Beatrix.

Die Forscher konnten nun mithilfe von Kryo-Elektronenmikroskopie nachweisen, dass das Enzym direkt unter dem Ausgang des ribosomalen Tunnels hängt und „wie eine Hängematte hin und her schwingen kann“ betont die Erstautorin und Doktorandin Alexandra Knorr. Dabei wird es an vier Stellen am Ribosom festgehalten. Völlig überraschend war, dass drei dieser Stellen sogenannte „Expansion Segments“ sind, sozusagen flexible Abstandshalter aus ribosomaler RNA, die nur bei Eukaryonten vorkommen. „Die Funktion dieser Segmente war bisher rätselhaft. Wir haben ihnen nun erstmals eine Funktion zugewiesen“, sagt Beatrix. Weil die „Expansion Segments“ ein Stück aus der Oberfläche des Ribosoms herausragen, gibt es zwischen dem Tunnelausgang und dem katalytischen Zentrum der Acetyltransferase eine Lücke, zu deren Überbrückung die frische Aminosäurekette um mindestens 20 Bausteine aus dem Tunnelende herausragen muss. Über diesen Zwischenraum können auch andere Enzyme die wachsende Proteinkette erreichen und ihrerseits die Aminosäuren chemisch verändern, bevor das Protein dann auch das katalytische Zentrum der Acetyltransferase erreicht. „Mithilfe unserer Ergebnisse konnten wir damit erstmals ein mechanistisches Modell erstellen, wie verschiedene zelluläre Komponenten koordiniert werden, um die wachsende Aminosäurekette zu modifizieren“, sagt Beckmann.
Nature Structural and Molecular Biology 2018