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Regulationsfaktor der Gehirnentwicklung Einblicke in die Proteinfabriken des Körpers

Redakteur: Christian Lüttmann

Damit unser Körper fehlerfrei funktioniert, muss alles seine Ordnung haben – so auch die Produktion von Proteinen, die an den Ribosomen abläuft. Wie dort die Abläufe reguliert und aufeinander abgestimmt werden, hat nun ein Team der Charité – Universitätsmedizin Berlin untersucht. Dabei haben die Forscher einen neuen Faktor für die Hirnentwicklung identifiziert.

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Momentaufnahme der Proteinherstellung während der Gehirnentwicklung
Momentaufnahme der Proteinherstellung während der Gehirnentwicklung
(Bild: M.L. Kraushar/ Charité)

Berlin – Proteine sind eine treibende Kraft im Organismus. Während die DNA für Information steht, stellen Proteine sozusagen Aktion dar. Sie sind z.B. an zahlreichen biochemischen Reaktionen beteiligt: von der Verdauung bis zum Abbau von Botenstoffen.

Die fein regulierte Proteinproduktion der Zelle findet an den Ribosomen statt. Verschiedene Faktoren regulieren während der Entwicklung die spezifische Proteinproduktion in unterschiedlichen Geweben und zu bestimmten Zeitpunkten. Das dynamische Zusammenspiel der verschiedenen Faktoren am Ribosom ist noch weitgehend unverstanden. Einer Forschergruppe der Charité Berlin ist es nun jedoch gelungen, die Proteinproduktion an den Ribosomen im Gehirn nachzuverfolgen.

Scharfer Blick auf körpereigene Proteinfabrik

„Erstmals konnten wir die Ribosomenstruktur im Gehirn mit nahezu atomarer Auflösung in Aktion darstellen“, sagt Prof. Dr. Christian Spahn, Direktor des Instituts für Medizinische Physik und Biophysik an der Charité. Bei der Proteinproduktion ist demnach besonders das Regulatorprotein Ebp1 wichtig. Es kontaktiert das Ribosom an dessen Tunnelausgang, wo ein neu entstehendes Protein das Ribosom verlässt. Auf diese Weise beeinflusst der Regulator insbesondere die Produktion von Membranproteinen, die für Zellkontakte von Bedeutung sind, und hält damit die neuronale Proteostase aufrecht.

„Die Gesamtstruktur des Ribosoms wurde zwar bereits in anderen Geweben oder anderen Organismen aufgeklärt, nur auf diese Weise konnten wir jedoch Ebp1 als neuen zentralen Faktor identifizieren, der die Ribosomenfunktion und die Herstellung bestimmter Proteine während der Hirnentwicklung kontrolliert“, sagt Spahn.

Schnappschüsse des Ribosoms

In einem multidisziplinären Projekt verbanden die Forscher Strukturbiologie mit Neurowissenschaften und kombinierten Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) als zentrale Technik mit Massenspektrometrie, RNA-Sequenzierung und genetischen Methoden. Mithilfe der Kryo-EM lassen sich Proteinstrukturen – insbesondere große Anordnungen mehrerer Moleküle – bei sehr niedrigen Temperaturen unter nahezu physiologischen Bedingungen bestimmen. „Uns war es so möglich, die Molekülarchitektur des Ribosoms hochaufgelöst und so zu betrachten, wie sie in den Nervenzellen vorliegt“, sagt Dr. Dr. Matthew L. Kraushar vom Max-Planck-Institut für molekulare Genetik (MPIMG) in Berlin, Erstautor der Publikation. „Dabei konnten wir Schnappschüsse von verschiedenen Funktionsmechanismen des Ribosoms einfangen.“

Eine fein ausbalancierte Herstellung von Proteinen ist vor allem für Nervenzellen von großer Bedeutung. „Kleine Veränderungen können zu folgenschweren Konsequenzen wie neurodegenerativen Erkrankungen und Entwicklungsstörungen führen,“ sagt Spahn. „Mit unseren Erkenntnissen zur Rolle der Ribosomen während der normalen Hirnentwicklung können wir zukünftig auch die krankhaften Veränderungen des Gehirns besser verstehen.“ Als nächstes wollen die Forscher durch groß angelegte Analysen untersuchen, wie das Ribosom während der Entwicklung des Gehirns die Produktion der verschiedenen benötigten Proteine kontrolliert.

Originalpublikation: Kraushar ML et al.: Protein synthesis in the developing neocortex at near-atomic resolution reveals Ebp1-mediated neuronal proteostasis at the 60S tunnel exit, Mol Cell. 2020 Dec 22. doi: 10.1016/j.molcel.2020.11.037

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