Abfallentsorgung in der Zelle Forscher entschlüsseln „Wegwerf-Etikett“ von Proteinen

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Zellen steuern den Abbau von Proteinen über einen komplexen biochemischen Code. Schlüsselelement darin ist das Molekül Ubiquitin, welches als Marker an defekte Proteine geheftet wird. Mit einer neuen fluoreszenzbasierten Methode haben Forscher nun untersucht, welcher Code den intrazellulären Proteinabbau auslöst und welcher nicht.

Proteine sind die Bausteine des Lebens und erhalten die Zellstruktur und -funktion aufrecht. Werden sie jedoch beschädigt, falsch gefaltet oder anderweitig unbrauchbar, können sie zu einer Reihe von Krankheiten führen, von Alzheimer und Parkinson bis hin zu Krebs und Muskeldystrophie. Um dies zu verhindern, haben Zellen ein ausgeklügeltes System entwickelt, um unerwünschte Proteine mit einem kleinen Protein namens Ubiquitin für den Abbau zu markieren.

Ein Code aus Proteinen

Ubiquitin ist eine zelluläre Markierung, die festlegt, was mit einem Protein geschehen soll. Der Code kann aus einem einzelnen Ubiquitin-Kennzeichen oder aus mehreren Ubiquitinen bestehen, die miteinander verbunden sind. Leo Kiss, Erstautor und Postdoktorand in Brenda Schulmans Abteilung Molekulare Maschinen und Signalwege am Max-Planck-Institut für Biochemie (MPIB), erklärt: „Der Ubiquitin-Code ist aufgrund seiner Komplexität faszinierend: Die Verknüpfung eines Ubiquitin-Moleküls mit einem anderen kann auf acht verschiedene Arten erfolgen. Diese Verknüpfungen können sich mehrfach wiederholen und Ketten unterschiedlicher Länge bilden. Und als ob das nicht schon komplex genug wäre, können sich verschiedene Arten von Ketten verzweigen.“

Bei derart vielen Möglichkeiten ist es nachvollziehbar, dass die Forschung bisher noch nicht vollständig geklärt hat, welche Information in den kodierten Strukturen steckt. „Hier kommt unsere Technologie Ubi Read ins Spiel – sie funktioniert wie ein Scanner, der entschlüsseln kann, was diese verschiedenen Ubiquitin-Ketten in den Zellen bewirken.“

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Die Komplexität des Ubiquitin-Codes stellt für Forschende, die sich mit dem Proteinabbau befassen, eine große Herausforderung dar. Aus den verschiedenen Kombinationen von Ubiquitinkettentypen, -längen und -formen folgt eine Vielzahl von Codierungen, die sich nur schwer entschlüsseln lassen.

Eine der größten Hürden war das Fehlen eines systematischen Ansatzes zur Beobachtung des Proteinabbaus in Zellen. Die derzeitigen Methoden haben Grenzen: Während zellbasierte Ansätze keine spezifischen Ubiquitinketten in Zellen nach Bedarf erzeugen können, gelingt es mit biochemischen Methoden oft nicht, das in Zellen beobachtete Abbauverhalten nachzubilden. Dies hat zu widersprüchlichen Ergebnissen in verschiedenen Studien geführt.

Eine neue Technologie soll helfen

Um den Ubiquitin-Code zu entschlüsseln und den Proteinabbau besser zu verstehen, hat Erstautor Kiss in Zusammenarbeit mit Leo James, Leiter der Forschungsgruppe „Host-Pathogen Biology“ am MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge, Großbritannien, Ubi Read entwickelt. Das Akronym steht für Ubiquitinated Reporter Evaluation After intracellular Delivery (dt. Ubiquitinierte Reportermessung nach intrazellulärer Verabreichung). Dieser neue Ansatz ermöglicht die Untersuchung des zellulären Abbaus von Proteinen, die einen definierten Ubiquitin-Code tragen.

Die Forschenden markieren ein fluoreszierendes Protein mit einem bekannten Ubiquitin-Code. Anschließend geben sie das markierte Protein an die Zellen ab. Anhand der Fluoreszenzintensität, die mit der Menge der Proteine korreliert, können sie das Schicksal des Proteins verfolgen: Wenn es noch intakt ist, bleibt die Fluoreszenz bestehen, wenn es abgebaut wird, geht die Fluoreszenz verloren.

Erste Ergebnisse

Mit Ubi Read entdeckten die Forschenden, dass der intrazelluläre Abbau schneller ist als der Abbau desselben Proteins in einem Reagenzglas mit aufgereinigten Abbaumaschinerien. Es dauert nur eine Minute, um die Hälfte des markierten Proteins in der zellulären Umgebung abzubauen. Außerdem zeigten sie, dass Proteine, die mit einer bestimmten Art von Ubiquitinkette markiert sind, der so genannten K48, schnell abgebaut werden, wohingegen Proteine mit K63-Ketten schnell ihre Markierung verlieren und nicht abgebaut werden.

Die Forschenden verglichen auch verschiedene Längen von Ubiquitinketten. „Überraschenderweise reichten Ketten mit bereits drei Ubiquitinmolekülen aus, um das fluoreszierende Protein effektiv abzubauen“, sagt Kiss. „Dieser Code kann jedoch verloren gehen, wenn diese Ubiquitine nicht direkt auf dem Protein, sondern auf einer anderen Ubiquitinkette angeheftet werden. Es kommt auf den genauen Kontext an.“

MPIB-Direktorin Schulman fasst zusammen: „Unsere Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist, Ubiquitinketten und ihre Funktionen in ihrer natürlichen zellulären Umgebung zu untersuchen. Wir haben gezeigt, dass Ubi Read ein vielseitiges Werkzeug ist, um den intrazellulären Abbau von Proteinen zu analysieren, die an verschiedene Arten von Ubiquitin oder Ubiquitin-ähnlichen Proteinketten in unterschiedlichen zellulären Kontexten gebunden sind. Auch in Zukunft werden wir Ubi Read einsetzen, um in naher Zukunft noch viele weitere Erkenntnisse über das komplexe Ubiquitinsystem zu gewinnen.“

Originalpublikation: Leo Kiss, Leo C. James, Brenda A. Schulman: UbiREAD deciphers proteasomal degradation code of homotypic and branched K48 and K63 ubiquitin chains, Molecular Cell, March 2025

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