Ribosomen: Molekularer Keil hilft beim Recycling

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Die Synthese von Proteinen in der Zelle, die Translation, ist ein zentraler Prozess des Lebens. Dabei wird der genetische Code des Erbguts in die Aminosäuresequenz der Proteine übersetzt. Der Vorgang ist komplex – und wird seit Jahrzehnten im Detail untersucht.

Durchgeführt wird die Proteinbiosynthese von speziellen molekularen Maschinen, den Ribosomen, die aus einer großen und einer kleinen Untereinheit bestehen. Am Ende der Proteinbiosynthese müssen diese Proteinfabriken in ihre Einzelteile zerlegt (recycled) werden, damit sie die nächste Runde der Translation durchlaufen können.

Jetzt hat ein Team um Professor Roland Beckmann, Dr. Thomas Becker und Ivan Penchev vom Genzentrum der LMU zusammen mit Forschenden der Stanford University um Professor Ron Kopito gezeigt, wie das Recycling von Ribosomen, die am sogenannten endoplasmatischen Retikulum (ER) lokalisiert sind, abläuft. Sie entschlüsseln dabei die Rolle eines Enzyms, einer speziellen E3-Ligase, die eine kleine Proteinmodifikation namens UFM1 mit der großen ribosomalen Untereinheit verknüpft, als zentralen Mechanismus des Recyclings. Details der Untersuchung wurden im renommierten Fachmagazin Nature veröffentlicht.

Detaillierte Einblicke in das Recycling von Ribosomen

Zu finden sind Ribosomen meist frei im Zytoplasma. „Hier wissen wir recht genau, wie das Recycling funktioniert“, sagt Becker. Teilweise sind sie jedoch am endoplasmatischen Retikulum zu finden, einer Membran, welche die Zelle durchzieht.

Viele Proteine entstehen zwar im Zytosol, müssen dann aber in andere Organellen gebracht werden, beispielsweise in das Mitochondrium, in Chloroplasten und in viele mehr. Wird ein Protein an der ER-Membran synthetisiert, so wird die gesamte Translationsmaschinerie auf die ER-Membran gedockt. Dies erfolgt mit Hilfe eines Protein-leitenden Kanals (SEC61), der Proteine schon während ihrer Synthese durch die Membran schleusen oder in die Membran einlagern kann.

Nach Abschluss der Translation bringt das einen weiteren Recycling-Schritt mit sich, der spezifisch für die ER-Membran ist: Am Ende muss die große Untereinheit des Ribosoms vom Protein-leitenden Kanal wieder abgelöst werden. Beckmanns Team konnte nun zeigen, wie dieser Teilschritt abläuft: Wenn die Translation abgeschlossen ist, wird die große Untereinheit der Ribosomen von der E3-Ligase erkannt. „Sie platziert – bildlich gesprochen – einen kleinen Keil, das Protein UFM1, an der großen Untereinheit“, erklärt Becker. „Dadurch bildet sich ein stabiler Komplex aus der modifizierten 60S-Untereineinheit und der E3-Ligase aus. Das führt zeitgleich dazu, dass die große Untereinheit sich von SEC61 ablöst. Dies ist ein sehr wichtiger Schritt, um die große Untereinheit wieder im Zytosol für die nächste Runde verfügbar zu haben.“

Paul A. DaRosa, Ivan Penchev, Samantha C. Gumbin, Francesco Scavone, Magda Wąchalska, Joao A. Paulo, Alban Ordureau, Joshua J. Peter, Yogesh Kulathu, J. Wade Harper, Thomas Becker, Roland Beckmann & Ron R. Kopito: UFM1 E3 ligase promotes recycling of 60S ribosomal subunits from the ER. Nature 2024