Hvordan sorteres proteiner i cellen? Forskerhold løser dette årti gamle puslespil

Forskere løser det mere end 25 år gamle puslespil om, hvordan proteiner sorteres i cellen. Et proteinkompleks kendt som NAC (nascent polypeptide-associated complex) tjener som en "gatekeeper" i proteinsyntese, der regulerer transporten af ​​proteiner i cellen. Den molekylære mekanisme bag denne funktion er nu blevet belyst af celle- og molekylærbiologer fra Konstanz inden for et internationalt samarbejdsprojekt.

For at opretholde vores cellulære funktioner er det essentielt, at proteiner transporteres til forskellige destinationer i cellen – omtalt som "celleorganeller" i analogi med vores krops organer – mens de stadig syntetiseres. Men hvordan er det muligt at skelne mellem forskellige transportdestinationer og forhindre proteiner i at nå de forkerte organeller? Et internationalt forskerhold har nu opdaget, hvordan denne komplekse proces styres på molekylært niveau for en vigtig cellulær destination - transporten af ​​begyndende proteiner til et membrannetværk i cellen, det endoplasmatiske retikulum.

I deres aktuelle publikation i tidsskriftet Science , kunne forskerne vise, at et proteinkompleks kendt blandt eksperter som NAC, som blev opdaget for mere end 25 år siden, spiller en afgørende rolle i denne proces:NAC sikrer ligesom en gatekeeper, at kun proteiner med det endoplasmatiske retikulum som destination er videregivet til proteintransportøren SRP (signalgenkendelsespartikel). SRP formidler derefter transporten af ​​"lasten" til den angivne destination. Hvis et begyndende protein på den anden side har en anden destination end det endoplasmatiske retikulum, nægter gatekeeperen NAC adgang til proteintransportøren SRP.

Proteinfabrik

Ved at bruge det genetiske materiale som en plan, produceres tusinder og atter tusinder af nye proteiner hvert minut i cellerne i vores krop. Denne proteinproduktion foregår i ribosomerne, de cellulære "fabrikker" i vores kroppe, hvor individuelle aminosyrer - proteinernes byggesten - samles i lange aminosyrekæder. De resulterende proteiner kan senere påtage sig en lang række funktioner og har følgelig forskellige destinationer i cellen. Egnede sorteringsmekanismer sikrer derfor ofte allerede under proteinproduktionen, at proteinerne pålideligt når deres respektive placering i cellen.

Indtil nu har det været kendt, at to proteinkomplekser, det førnævnte NAC og SRP, spiller en vigtig rolle i den målrettede transport af begyndende proteiner til det endoplasmatiske reticulum. SRP er det egentlige "transportprotein", der etablerer kontakten mellem de spirende proteiner sammen med ribosomet til det endoplasmatiske retikulum. Det genkender et specifikt transportsignal, der er kodet i det nyligt syntetiserede protein. Der er dog et problem:SRP binder sig også uspecifikt til ribosomer, der ikke har noget signal til det endoplasmatiske reticulum.

"Ukontrolleret ville SRP binde til ethvert ribosom i nærheden og derefter transportere det til det endoplasmatiske retikulum, uanset om et protein med den destination i øjeblikket produceres eller ej. Dette ville resultere i utallige fejlleveringer, der ville forringe funktionen og levedygtigheden af cellen," forklarer Elke Deuerling, en af ​​seniorforfatterne til den aktuelle undersøgelse og professor i molekylær mikrobiologi ved Universitetet i Konstanz. Så forskerne konkluderer, at der er en kontrolinstans, der forhindrer netop det:gatekeeperen NAC.

Opsporing af den molekylære mekanisme

Hvordan NAC præcist forhindrer SRP i at binde uspecifikt til ethvert ribosom på molekylært niveau og i stedet sikrer, at kun de korrekte ribosomer transporteres til det endoplasmatiske retikulum, var tidligere uklart. Biologerne fra Konstanz undersøgte dette spørgsmål i deres nuværende undersøgelse i samarbejde med kolleger fra ETH Zürich (Schweiz), MRC Laboratory of Molecular Biology (LMB, Cambridge, UK) og California Institutes of Technology (Caltech, Pasadena, U.S.).

For at gøre dette simulerede de først processerne i cellen ved at blande rensede ribosomer sammen med NAC og SRP i reagensglasset. Blandingen blev derefter lynfrosset ved under -150 grader Celsius, og prøven blev undersøgt under et elektronmikroskop - en metode kendt som kryoelektronmikroskopi. Dette gjorde det muligt for strukturbiologerne Dr. Ahmad Jomaa og Dr. Viswanathan Chandrasekaran, medforfattere af undersøgelsen, at afsløre, hvordan NAC binder til ribosomer før og efter lastoverførsel til SRP. Dette var en vigtig hjørnesten i belysningen af ​​gatekeeper-mekanismen, men overgangen mellem staterne forblev uklar.

"Overgangen er en meget dynamisk proces, som ikke kan visualiseres ved kryoelektronmikroskopi," forklarer Dr. Martin Gamerdinger, en af ​​hovedforfatterne fra University of Konstanz. For at forstå denne proces gennemførte han og hans team, doktorgradsforskerne Annalena Wallisch og Zeynel Ulusoy, biokemiske bindingsundersøgelser med høj opløsning, der i detaljer afslørede interaktionsmekanismen for NAC på ribosomer afhængigt af typen af ​​syntetiseret protein.

NAC som gatekeeper

Ved hjælp af denne metode og computerstøttet rekonstruktion af 3D-strukturerne samt eksperimenter af Dr. Hao-Hsuan Hsieh med bindingsstyrken mellem de involverede komponenter, lykkedes det forskerne at tyde, hvordan NAC fungerer på molekylært niveau. Baseret på deres resultater var de i stand til at foreslå en detaljeret molekylær mekanisme for NAC's sorteringsfunktion.

Ifølge dette binder NAC sig til ribosomet, specifikt til det afsnit, hvor det begyndende protein forlader "proteinfabrikken". Som en gatekeeper sidder en del af NAC beskyttende foran denne udgang, den ribosomale tunnel, og nægter SRP adgang til ribosomet og det begyndende protein. Adgang gives kun, når en transportsignalsekvens for det endoplasmatiske reticulum - kodet i det begyndende protein - forlader tunnelen i løbet af proteinsyntesen. NAC genkender dette signal og ændrer dets position på ribosomet. På denne måde bliver udgangen af ​​den ribosomale tunnel ophævet, og SRP kan nu dokke til tunneludgangen efter aktivt at være blevet rekrutteret til ribosomet via en "gribearm" af NAC, dvs. UBA-domænet. Efter SRP-binding og signalsekvensoverførsel transporteres ribosomet sammen med det begyndende protein til det endoplasmatiske reticulum.

"Vores undersøgelse afslører NAC's molekylære funktion som gatekeeper, der kun giver SRP adgang til de begyndende proteiner, hvis destination er det endoplasmatiske retikulum," opsummerer professor Elke Deuerling denne grundlæggende kontrolmekanisme. Hun er enig med sine internationale samarbejdspartnere professor Nenad Ban (ETH Zürich, Schweiz), professor Shu-ou Shan (Caltech, U.S.) og professor Ramanujan Hegde (MRC-LMB, UK):"Fremtidige undersøgelser skal vise, om NAC også har andre kontrolfunktioner ved den ribosomale tunnel."