Ein Protein an zwei Arbeitsplätzen

Max-Planck-Forscher gewinnen neue Erkenntnisse über die Multifunktionalität von Proteinen

26. Dezember 2008

Viele Proteine in lebenden Zellen sind auf mehr als nur eine Aufgabe spezialisiert. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen konnten jetzt gemeinsam mit amerikanischen Kollegen zeigen, wie Proteine unterschiedliche Aufgaben auch ohne große Strukturänderungen erfüllen können. Die neuen Erkenntnisse der Forscher tragen dazu bei, Regelkreisläufe innerhalb der Zelle besser zu verstehen. (Molecular Cell, 26. Dezember 2008)

Das S10-Protein (rot) im Komplex mit einem anderen Bestandteil der Transkriptionsmaschinerie (oben rechts) und im Verbund mit anderen Bausteinen des Ribosoms (unten links). Die beiden funktionalen Kontexte des Proteins sind vor einem Taiji dargestellt, dem Symbol für das individuelle Yin und Yang.

Jede Zelle benötigt zum Leben ein ganzes Arsenal von Proteinen, die alle wichtigen Funktionen wie Katalyse, Bewegungs- und Transportprozesse, Signalübertragung oder Informationsverarbeitung ausführen. Die Bauanleitungen dieser Proteine sind in der Erbsubstanz (Desoxyribonukleinsäure, kurz DNA) jeder Zelle archiviert - allerdings in einer Form, die für die Protein-Herstellung nicht direkt nutzbar ist. Die Baupläne müssen daher zunächst in eine Boten-Ribonukleinsäure (Boten-RNA) umkopiert werden. Wissenschaftler bezeichnen diesen komplexen Prozess als Transkription. Die in der Boten-RNA enthaltenen genetischen Informationen werden schließlich in eine Kette von Aminosäuren - die Bausteine der Proteine - übersetzt. Für diese Übersetzung (Translation) ist die Proteinfabrik der Zelle zuständig, das Ribosom. Es ist eine komplexe Miniatur-Maschinerie aus über 50 Proteinkomponenten und bis zu vier RNA-Molekülen, die zu einer kleinen und einer großen Untereinheit zusammengesetzt sind.

Positive Rückkopplung

Grundsätzlich besteht die Maschinerie für die Transkription aus ganz anderen Komponenten als die der Translation. Aber einige spezielle Proteine sind an beiden Prozessen beteiligt - und erfüllen dabei ganz unterschiedliche Aufgaben. Doch wie reguliert die Zelle, in welchem Prozess solche multifunktionalen Proteine gerade wirken sollen? Einen wichtigen molekularen Mechanismus haben Wissenschaftler jetzt anhand des Ribosomen-Proteins S10 aufgeklärt. S10 ist für die Architektur der kleinen Ribosomen-Untereinheit entscheidend und fest an diese gebunden. Doch damit ist das Repertoire des Proteins bei weitem nicht erschöpft.

Eine Bakterienzelle muss fast die Hälfte ihrer Energie in den Bau der Proteinfabriken investieren. Dies lohnt sich nur, solange alle Komponenten vorrätig sind. Das S10-Protein funktioniert hier als Sensor, der misst, ob ausreichend Protein- und RNA-Bausteine vorhanden sind. "Gibt es zu wenige RNA-Bausteine, können überschüssige S10-Proteine nicht mehr an Ribosomen binden - und wechseln ihren "Arbeitsplatz". Bei der Transkription wirkt S10 nun als "Schalter", der die Herstellung neuer RNA-Komponenten ankurbelt", erklärt der Göttinger Strukturbiologe Markus Wahl. Durch positive Rückkopplung wird so das Verhältnis zwischen den RNA- und Proteinkomponenten ausbalanciert. Diese werden zu neuen Ribosomen zusammengebaut, S10 kann wieder binden und seine Funktion in der Translation übernehmen.

Yin and Yang bei Proteinen

Wie die Forscher herausfanden, kommen bei der Transkription und Translation jeweils ganz andere Protein-Bereiche zum Einsatz. "Damit stehen die beiden Funktionen des Proteins nicht in Konkurrenz zueinander, sondern sie ergänzen und bedingen einander", sagt Wahl. Eine Strategie, die es der Zelle ermöglicht, mit ihrem begrenzten Vorrat an Proteinen eine weit größere Anzahl an Funktionen zu erfüllen. Die Verzahnung dieser Schritte der Transkription und Translation ermöglicht eine präzise Regulation und Qualitätskontrolle bei der Herstellung neuer Proteine. Aber auch bei anderen zellulären Prozessen könnten ähnliche Regelkreisläufe eine wichtige Rolle spielen - nicht nur in Bakterien, sondern auch in höheren Organismen.[cr]

Originalveröffentlichung

Yiao Luo, He-Hsuan Hsiao, Mikhail Bubunenko, Gert Weber, Donald L. Court, Max E. Gottesman, Henning Urlaub, Markus C. Wahl: Structural and Functional Analysis of the E. coli NusB-S10 Transcription Antitermination Complex. Molecular Cell 32, 791-802 (2008).

Weitere Informationen

Die Abteilung Zelluläre Biochemie/Röntgenkristallographie

Dr. Markus Wahl
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie und
Universitätsmedizin, Georg-August-Universität, Göttingen
Tel.: +49 551 201-1046
E-Mail: mwahl@gwdg.de

Dr. Carmen Rotte
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Tel.: +49 551 201-1304
E-Mail: crotte@gwdg.de

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