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Entstehungsprozess von Ribosomen Proteinfabriken reifen nach dem Zwiebelprinzip

Redakteur: Christian Lüttmann

In den Ribosomen werden zahlreiche lebenswichtige Proteine für den Körper gebaut. Wie diese „Proteinfabriken“ jedoch selbst heranreifen, war aufgrund ihres Komplexen Aufbaus noch nicht vollständig geklärt. Nun haben Forscher aus Heidelberg und München mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie einen wichtigen Schritt in der Entstehung der Ribosomen aufgedeckt.

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Kryo-Elektronenmikroskop-Aufnahmen von der Reifung des 90S-Prä-Ribosoms zur 40S-Untereinheit. Die Reifung läuft ähnlich ab wie die Häutung einer Zwiebel.
Kryo-Elektronenmikroskop-Aufnahmen von der Reifung des 90S-Prä-Ribosoms zur 40S-Untereinheit. Die Reifung läuft ähnlich ab wie die Häutung einer Zwiebel.
(Bild: Prof. Dr. Ed Hurt)

Heidelberg, München – Zahlreiche Prozesse im Körper funktionieren nur dank Proteinen. Diese stellt der Körper überwiegend selbst in kleinen „Fabriken“ her, den Ribosomen. Sie sind ein komplexes Konstrukt aus speziellen Proteinen und der Erbsubstanzvariante RNA. Doch wie der Zusammenbau der Ribosomen genau erfolgt, ist noch nicht in allen Einzelheiten verstanden.

In den vergangenen Jahren ist Wissenschaftlern der Universität Heidelberg gelungen, elementare Schritte der Ribosomen-Entstehung im Reagenzglas ablaufen zu lassen und Einblicke in deren Entstehung zu gewinnen. Ribosomen setzen sich aus zwei unterschiedlich großen Untereinheiten zusammen, die sich jeweils aus Vorläufer-Komplexen, den so genannten Prä-Ribosomen, herausbilden. Darin kommen auch die ribosomalen RNA-Ketten vor, welche in einem Vorläufer zunächst noch miteinander verbunden sind. „Wie und wann diese RNA-Ketten voneinander getrennt werden, um schließlich die Bildung der reifen Untereinheiten zu ermöglichen, war bislang noch unklar“, sagt Prof. Dr. Ed Hurt vom Biochemie-Zentrum der Universität Heidelberg (BZH).

Reifung in Schichten statt blockweise

In Zusammenarbeit mit Strukturbiologen der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU), haben die Heidelberger Wissenschaftler nun wichtige Montageschritte bildlich dargestellt – sowohl biochemisch als auch mittels hochauflösender Kryo-Elektronenmikroskopie. Dazu gehört auch der Prozess, mit der sich die kleine 40S-Untereinheit in vielen Schritten aus einem riesigen Vorläufer-Komplex, dem 90S-Prä-Ribosom, „herausschält“. Das Team von Hurt hatte vor allem durch biochemische Analysen erste Hinweise auf diesen Mechanismus gefunden, der den bisherigen Vorstellungen einer En-bloc-Ablösung widersprach.

Wie sich das Ribosom „häutet“

Um die RNA-Kette im 90S-Prä-Ribosom in zwei Abschnitte zu trennen, bedarf es zunächst einiger spezieller zellulärer Monteure, so genannte Biogenese-Faktoren. Sie bereiten die Ribosomen-RNA an vorgesehenen Stellen für zwei Schnitte der Trennung vor, damit eine RNA-Schere diese gezielt und zeitlich koordiniert durchführen kann. Die 40S-Untereinheit ist dabei zunächst von einer schützenden Proteinhülle umgeben. In einer Serie von zusätzlich ablaufenden Reaktionen löst sich dieses Außenskelett von der Rohversion der Untereinheit ab und setzt sie frei. „Die 40S-Untereinheit durchläuft damit eine Art Häutung, bei der sich einzelne Vorgängermodule Schicht für Schicht ablösen“, erklärt Hurt.

Wie der Reifungsprozess der Ribosomen im Einzelnen aussieht, berechneten die Forscher der LMU ihren Kryo-Elektronenmikroskopie-Aufnahmen. Mit ihren Ergebnissen erhoffen sich die Wissenschaftler, zu einem besseren Verständnis so genannter Ribosomopathien beitragen zu können. Dabei handelt es sich um Krankheiten, die durch Fehler bei der Ribosomen-Entstehung verursacht werden.

Originalpublikation: J. Cheng, B. Lau, G. La Venuta, M. Ameismeier, O. Berninghausen, E. Hurt, R. Beckmann : 90S pre-ribosome transformation into the primordial 40S subunit, Science 18 Sep 2020: Vol. 369, Issue 6510, pp. 1470-1476; DOI: 10.1126/science.abb4119

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