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Molekulare Maschine untersucht Verklumpte Proteine – einfach entwirrt

| Autor/ Redakteur: Dr. Sibylle Kohlstädt / Christian Lüttmann

Ein Knäuel alter Kabel zu entwirren ist gar nicht so einfach. Vor einer ähnlichen Aufgabe stehen Zellen, nur dass dort Proteinketten statt Kabel zu voneinander getrennt werden müssen. Hier helfen molekulare Maschinen, die lose Schleifen einzelner Proteine aus dem Knäuel herausziehen. Wie das abläuft, haben nun Forscher aus Amsterdam und Heidelberg mittels Mikroskopie live mitverfolgt.

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Das Chaperon ClpB zieht eine freie Proteinkette durch seine zentrale Pore.
Das Chaperon ClpB zieht eine freie Proteinkette durch seine zentrale Pore.
(Bild: Avellaneda & Tans, AMOLF Amsterdam)

Amsterdam/Niederlande, Heidelberg – Proteine haben wichtige biochemische Funktionen im Körper. Dazu sind sie auf eine ganz bestimmte Art zu dreidimensionalen Strukturen zusammengefaltet. Es kommt jedoch immer wieder vor, dass sich sozusagen „Laufmaschen“ bilden, und unerwünscht Schlaufen aus dem Protein herausragen. Dies kann zum Verklumpen der Proteine führen – die damit ihre Funktion verlieren und sich zu gesundheitsgefährdenden Aggregaten zusammenlagern.

Verklumpte Proteinketten gelten als mitverantwortlich für zelluläre Alterungsprozesse und zahlreiche Krankheiten einschließlich neurodegenerativer Leiden wie zum Beispiel der Alzheimer-Demenz. Alle Organismen haben daher als „Chaperone“ bezeichnete Moleküle entwickelt, um solche schädlichen Aggregate wieder aufzulösen. Wie die Chaperone diese Aufgabe meistern, war allerdings weitgehend unbekannt.

Einfach nur die Kette an der Schlaufe ziehen

Nun haben Forscher vom Institut für Atom- und Molekularphysik (AMOLF) in Amsterdam, der Universität Heidelberg und des Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) die Arbeit eines Bakterien-Chaperons analysiert und seine Funktionsweise aufgeklärt.

„Das ringförmige bakterielle Chaperon ClpB greift sich eine freie Schleife der Proteinkette, die aus dem Proteinaggregat herausragt, und zieht sie unter Aufwendung von Kraft durch seine zentrale Pore. Der gesamte Proteinklumpen ist zu groß, um durch die Pore zu passen. Durch die Zugkraft kann ClpB jedoch einzelne Proteinketten aus dem größeren Aggregat herausziehen. Das Chaperon funktioniert dabei wie eine Art Motor“, erläutert Bernd Bukau vom DKFZ.

Wie genau das Entwirren von Proteinen abläuft, veranschaulicht das Video der Forscher Mario Avellaneda und Sander Tans vom AMOLF-Institut. Zudem zeigt es Animationen zum Verklumpen von Proteinen und gibt Einblicke in die zeitaufgelöste Mikroskopie der Forscher:

So zieht das Chaperon ein Protein nach dem anderen aus dem Aggregat heraus, als würde man an einer Laufmasche einen Faden aus der Kleidung ziehen. Nach dem Herauslösen aus dem Aggregat kann sich die Proteinkette wieder korrekt zusammenfalten und normal funktionieren. Indem alle Proteine einzeln aus dem Knäuel herausgezupft werden, kann das Chaperon das gesamte Aggregat vollständig entwirren.

Proteine zur Mikroskopie eingespannt

Um die Arbeit der Chaperone zu untersuchen, spannten die Forscher zunächst eine Proteinkette zwischen zwei mikroskopisch kleinen Kügelchen ein. Die Kugeln brachten sie mit einer „optischen Pinzette“ in Position. Deren Funktion beruht darauf, dass Licht auf mikroskopische Objekte eine Kraft ausübt und diese dadurch bewegt werden können.

An die entfaltete, eingespannte Proteinkette lagerte ein Chaperon an und begann damit, die Kette schlaufenförmig durch seine Pore hindurch zu ziehen. Dadurch änderte sich der Abstand der Kügelchen sowie die Position des Chaperons zwischen den beiden Kügelchen.

Die Forscher maßen diese winzigen Bewegungen während dieser Proteinextraktion mithilfe von Fluoreszenzmikroskopie. Dies ermöglichte es ihnen, genau zu bestimmen, wie der ClpB-Motor Proteinketten transportiert.

In weiteren Versuchen veränderten die Wissenschaftler die mechanischen Hebel (aromatische Aminosäuren) im Inneren der Pore von ClpB durch Mutationen. Dadurch verlor das Chaperon seine Zugkraft und war nicht mehr in der Lage, eine Schlaufe des gespannten Proteins durch seine Pore zu ziehen. Das Team will als nächstes untersuchen, ob auch Chaperone aus menschlichen Zellen als Zugmaschinen für aggregierte Proteinketten wirken.

Originalpublikation: Mario J. Avellaneda, Kamila B. Franke, Vanda Sunderlikova, Bernd Bukau, Axel Mogk, Sander J. Tans: Processive extrusion of polypeptide loops by a Hsp100 disaggregase, Nature 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-1964-y

* Dr. S. Kohlstädt, DKFZ Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg, 69120 Heidelberg

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