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Chaperon-Forschung mit Bäckerhefe und Bakterien

Für die optimale Funktion und das Überleben von unseren Zellen generell ist die korrekte Faltung von Proteinen essenziell. Nicht immer jedoch verläuft diese problemlos: Protein-Fehlfaltungen und Aggregation können auftreten, die beim Menschen zu neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer führen. Prof. Elke Deuerling untersucht an der Uni Konstanz die Rolle von molekularen „Helfern“, den Chaperonen, die an der Protein-Faltung maßgeblich beteiligt sind. Als Versuchsobjekte dienen ihr dabei die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae und das Bakterium Escherichia coli. Ihre Studien in E. coli zeigten erstmals die wichtige Bedeutung eines am Ribosom sitzenden Chaperons, das Proteine bereits während ihrer Herstellung bei der Faltung schützt.

Prof. Dr. Elke Deuerling, Molekular- und Mikrobiologin an der Universität Konstanz © privat

Proteine gehören zu den Grundbestandteilen von Zellen und übernehmen in Zellen vielfältigste Aufgaben. Damit Proteine ihre lebenswichtigen Funktionen erfüllen können, müssen sie zu einer korrekten räumlichen Struktur gefaltet sein – ein störanfälliger Prozess. Die Proteine werden an den Ribosomen als lineare Polymere aus Aminosäuren synthetisiert und falten sich nach oder während ihrer Synthese in ihre definierte dreidimensionale Struktur, die durch die Aminosäuresequenz bestimmt ist. Entscheidend unterstützt bzw. teilweise erst ermöglicht wird diese Faltung durch molekulare Chaperone, die lebenswichtig und in allen Organismen zu finden sind, vom Bakterium bis zum Menschen. Zellen besitzen immer ein Netzwerk aus verschiedenen Chaperonen, die zusammenwirken und die Faltungsprozesse von Proteinen räumlich und zeitlich kontrollieren und assistieren.

Für Prof. Elke Deuerling und ihr Team an der Universität steht der Prozess der Proteinfaltung und die Bedeutung sowie Wirkungsweise der Chaperone im Fokus der Forschung. An ihre Forschung anschließende, anwendungsbezogene Aspekte sieht die Konstanzer Biologin etwa in der Herstellung rekombinanter Proteine, „da dieser Prozess häufig durch die massive Missfaltung und Aggregation der zu produzierenden Proteine gekennzeichnet“ sei und daher „biotechnologische Produktionsprozesse, z.B. zur Gewinnung von Proteintherapeutika“ erschwere. Ihre Grundlagenforschung könnte zudem auf lange Sicht auch in medizinisch relevante Wissenschaft einfließen, denn eine defekte Proteinfaltung und Chaperonfunktion führt dazu, dass Proteine aggregieren - auch in menschlichen Zellen. „Solche Proteinaggregate sind charakteristische Merkmale bei neurodegenerativen Erkrankungen und sind vermutlich entscheidend für den neuronalen Zelltod“, erklärt Prof. Deuerling.

„Trigger Factor“: ein besonderes Chaperon im Visier

Im Fokus ihrer momentanen Arbeit stehen spezialisierte Chaperone, die am Ribosom positioniert sind und bereits während der Synthese von Proteinketten mit diesen in Wechselwirkung treten. Deuerling und ihr Team haben zum ersten Mal zeigen können, dass solche Chaperone die noch wachsende Proteinkette in Empfang nehmen und vor äußeren Einflüssen während der Faltung schützen. Für ihre Untersuchungen benutzen die Forscher zwei verschiedene Modellsysteme, die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae (eine eukaryontische Zelle) und das Bakterium Escherichia coli, einen Prokaryonten. Beim Bakterium gibt es ein einziges ribosomenassoziiertes Chaperon, den sogenannten „Trigger Factor“. „In E. coli bindet das Chaperon Trigger Factor an den Tunnelausgang des Ribosoms und interagiert so mit sämtlichen neu hergestellten Proteinen, die das Ribosom durch diesen Tunnelausgang verlassen“, berichtet Deuerling. Zellen ohne Trigger Factor sind durchaus lebensfähig. Aber als die Forscher noch ein weiteres Chaperon entfernten, nämlich den Kooperationspartner von Trigger Factor, das Hsp70-Chaperon DnaK, fanden sie mehrere hundert neu hergestellte zytosolische Proteinspezies aggregiert - letztendlich starben die Zellen.

Trigger Factor (rot) im Komplex mit dem Ribosom (grau): Trigger Factor bindet an das ribosomale Protein L23 (grün) und beugt sich über den ribosomalen Tunnelausgang und damit über das naszierende Protein (gelb). © , angelehnt an Ferbitz et al., 2004, Nature, zur Verfügung gestellt von Prof. N. Ban, ETH Zürich

„Wir konnten nachfolgend in einer Kollaboration mit Prof. Nenad Ban (ETH, Zürich) und Prof. Bernd Bukau (ZMBH Heidelberg) entschlüsseln, wie Trigger Factor aussieht und ein Modell seiner Wirkungsweise vorschlagen“, konstatiert die Konstanzer Molekularbiologin. Danach bindet Trigger Factor an das L23-Protein des Ribosoms und wölbt sich über den Ausgang des ribosomalen Tunnels, aus dem die Proteinkette bei der Synthese austritt, so dass ein geschützter Faltungsraum entsteht, in welchem neu synthetisierte Proteine vor proteinabbauenden Proteasen und Aggregation geschützt sind. Diese Arbeiten haben ein neues Grundprinzip der Proteinfaltung und der Rolle von molekularen Chaperonen entschlüsselt. Und dieses in Bakterien erstmals entdeckte Grundprinzip ist auch in höheren, eukaryontischen Zellen vorhanden, allerdings sind hier andere Faktoren beteiligt.

Eukaryontische Zellen besitzen, anders als Bakterien und Chloroplasten, gar keinen Trigger Factor zur Faltung zytosolischer Proteine. Somit stellt sich für die Konstanzer Forscher aktuell die zentrale Frage, wie dieser lebenswichtige Prozess der initialen Proteinfaltung in diesen Zellen ablaufen kann. „Wir wissen bereits, dass höhere Zellen andere ribosomenassoziierte Faktoren, darunter ein Hsp70-Chaperonsystem und den Proteinkomplex NAC (nascent polypeptide-associated complex), besitzen“, so Prof. Deuerling. Die Aufklärung der Funktionen dieser Faktoren und der Vergleich zum bakteriellen Trigger Factor stehen derzeit im Mittelpunkt. „Hier dient die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae als Modell, denn alle bekannten Faktoren und Chaperone, die bei Eukaryonten am Ribosom binden, sind konserviert und deshalb auch bei der Hefe zu finden“, so die Mikrobiologin.

Beide Einzeller bestens geeignet

Sowohl die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae als auch das Bakterium E. coli haben als Modellorganismen für die Chaperonforschung von Prof. Deuerling einen besonderen Wert. Das liegt nicht allein daran, dass sie Erkenntnisse über die Proteinfaltung in Prokaryonten und Eukaryonten liefern, sondern hat auch einige ganz handfeste praktische Gründe. So ist etwa das komplette Genom beider Organismen seit Jahren bekannt und es existieren zahlreiche Methoden, um diese zu manipulieren. Zudem wachsen sowohl die Hefe als auch die Bakterienzellen vergleichsweise schnell und sind kostengünstig in der Anzucht.

Die Vorteile liegen für Deuerling auf der Hand: "Dadurch kann man effizient genetische, biochemische und zellbiologische Ansätze kombinieren und gewinnt durch diese optimale Nutzung der beiden Modellsysteme grundlegende Erkenntnisse über die Proteinfaltung in prokaryontischen und in eukaryontischen Zellen, welche sich dann auch auf andere Organismen übertragen lassen", sagt sie. Hinzu komme, dass viele genetische Screens, aber auch die intensive Suche nach Wirkstoffen, welche Chaperone inhibieren oder aktivieren oder generell die Proteinaggregation beeinflussen, schnell und kostengünstig mit der Hefe durchgeführt werden können.

Um herauszufinden, welche Funktionen und Mechanismen Chaperone besitzen, nutzen die Wissenschaftler um Prof. Deuerling sowohl genetische und mikrobiologische Analysen von Chaperon- und Ribosomenmutanten in der Hefe und E. coli als auch zahlreiche biochemische und biophysikalische Methoden. Zum Einsatz kommen hierbei vor allem zellfreie In-vitro-Translationssysteme, die aus verschiedenen Chaperon-Mutantenzellen hergestellt werden und die Untersuchung der Synthese und Faltung von Modellproteinen in Ab- oder Anwesenheit bestimmter Chaperone ermöglichen. Außerdem verwenden sie spektroskopische Methoden, chemische Quervernetzungsexperimente und Amidprotonen-Austausch-Experimente, kombiniert mit hochauflösender Massenspektrometrie, um Interaktionen zwischen Proteinen zu analysieren.

Modellorganismen unterschiedlich eingesetzt

Trotz der vielen Gemeinsamkeiten setzen die Konstanzer Biologin und ihr Team die beiden Modellorganismen für jeweils verschiedene Untersuchungen ein - je nach Fragestellung. So dient E. coli als Modell, wenn bakterielle Vorgänge in der Proteinfaltung und Chaperonfunktion studiert werden sollen, während die Hefe als Eukaryont dazu dient, diese Prozesse in höheren Zellen zu analysieren. "Sowohl die Proteinbiogenese als auch die Chaperonfunktionen besitzen zwar zahlreiche gemeinsame Prinzipien in diesen Modellorganismen, die wir durch Analysen und den direkten Vergleich beider Modelle aufspüren können, allerdings gibt es auch fundamentale Unterschiede zwischen Prokaryonten und Eukaryonten“, so Deuerling. Allein die Tatsache, dass es den bakteriellen Trigger Factor nicht bei Eukaryonten gibt, die an seiner Stelle andere Chaperone entwickelt haben, zeigt den Wissenschaftlern, dass sie ganz neue Aspekte bei höheren Zellen erwarten können, welche in Bakterien nicht zu finden sind. Zudem ist das Netzwerk der Chaperone in eukaryontischen Zellen viel komplexer und umfangreicher und einige neue Chaperone kommen hinzu, die es bei Bakterien nicht gibt.

Die Einbindung eines weiteren Modellorganismus in ihre Chaperonforschung ist deshalb für sie in Zukunft nicht ausgeschlossen: "Es gibt viele Unterschiede zwischen niederen Eukaryonten wie der Hefe und höheren, multizellulären Organismen wie dem Menschen, so dass wir mit dem Gedanken spielen, unserem Repertoire einen zusätzlichen Modellorganismus hinzuzufügen, um Proteinfaltungs-Prozesse auch in komplexeren Lebewesen zu studieren", macht Prof. Elke Deuerling deutlich.

Klare Grenzen bei der Übertragbarkeit der Erkenntnisse

Trotz der großen Unterschiede zwischen Mikroorganismen und hochentwickelten Eukaryonten sieht die Forscherin teilweise durchaus Möglichkeiten der Übertragbarkeit der an diesen beiden Mikroorganismen gewonnenen Erkenntnisse. "Erstaunlich viele Prozesse laufen auf zellulärer Ebene in der Hefe genauso ab wie in humanen Zellen, und Hefe besitzt bereits alle Grundelemente und Prozesse der eukaryontischen Zelle“, führt Prof. Deuerling an. Die durch Analysen in der Hefe gewonnenen Erkenntnisse sind ihr zufolge „oftmals auf höhere Zellen übertragbar“, wenn es sich hierbei um die Analyse von konservierten, grundlegenden Prozessen handelt, wie beispielsweise die Proteinbiogenese und die Chaperonfunktionen. „Selbst Proteinfaltungsdefekte, die beim Menschen zu Erkrankungen führen, können auf zellulärer Ebene in der Hefe untersucht werden“, fügt sie hinzu.

Daraus könnten auf lange Sicht vielleicht sogar medizinisch relevante Ergebnisse erwachsen, denn „neben ihrer Bedeutung bei der erwähnten Proteinbiogenese und der Rolle von ribosomenassoziierten Chaperonen hat man beispielsweise vor wenigen Jahren zuerst in der Hefe und dann in E. coli entdeckt, dass es Chaperone gibt, die große Proteinaggregate wieder auflösen können und so Proteine reaktivieren“, erklärt die Mikrobiologin und fügt hinzu, dass „auch einige molekulare Details des Huntington-Proteins, das für die Erbkrankheit Chorea Huntington verantwortlich ist, und seiner toxischen Wirkung in Zellen durch das Hefesystem aufgeklärt wurden“. „Das heißt jedoch nicht, dass alles in der Hefe möglich ist“, betont Deuerling. „Klare Grenzen“ sind ihrer Auffassung nach dann gegeben, wenn das Zusammenspiel von Zellverbänden, Geweben und Organen berücksichtigt werden muss oder es sich um spezifische Eigenschaften eines Zelltyps oder einer Spezies handelt.

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