Establishing new techniques to study the cotranslational insertion and folding of membrane proteins
Final Report Abstract
Jede Zelle ist von einer Membran umschlossen, welche das Zellinnere von dem extrazellulären Raum abgrenzt, wodurch eine Zelle räumlich definiert wird. Zelluläre Membranen enthalten Membranproteine, welche wichtige Mediatoren zwischen dem extrazellulären und dem intrazellulären Raum darstellen. Da Zellen einen Stoffaustausch mit ihrer Umwelt benötigen um zu überleben, müssen Membranproteine bereits früh in der Evolution von Zellen vorhanden gewesen sein. Membranproteine vermitteln nicht nur den Stoffaustausch über Zellmembranen, sondern sie übermitteln mittels Rezeptoren auch Signale über Membranen und sind weiterhin zentrale Komponenten der Photosysteme und der Atmungskette. Da Membranproteine integrale Bestandteile von Signalkaskaden darstellen, ist es nicht verwunderlich, dass 50% aller Medikamente an Membranproteinen wirken, und dass etwa ein Viertel unseres Genoms für Membranproteine kodiert. Die Assemblierung von Membranproteinen ist heute nur lückenhaft verstanden. Zum Beispiel ist unklar wie Membranproteine nach ihrer Synthese in eine Membran gelangen,zu welchem Zeitpunkt und in welcher Weise Teile der Polypeptidkette Interaktionen miteinander ausbilden (sog. Faltung) um Ihre endgültige dreidimensionale Struktur zu erlangen. In diesem Projekt wurden neue Techniken etabliert die es erlauben, diese frühen Faltungswege verschiedener Membranproteine zu untersuchen. Die hier gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass die Membranintegration und die Faltung eines Membranproteins eng miteinander verknüpft sein können. Spezifische Interaktionen zwischen einzelnen Bereichen dieser Proteine können bereits in sehr frühen Stadien ihrer Synthese nachgewiesen werden. Weiterhin kann die Länge der Schleifenregion zwischen den Transmembransegmenten diese frühen Interaktionen beeinflussen. Transmembransegmente mit einer Orientierung des N-terminus ins Zellinnere üben schwächere Zugkräfte während der Membraninsertion aus, als Transmembransegmente mit entgegengesetzter Orientierung. Die gewonnenen Ergebnisse erlauben wichtige Einblicke in diese frühen Faltungsvorgänge, und die hier etablierten Techniken ermöglichen es nun, genauere Untersuchungen an Proteinen durchzuführen, deren Fehlfaltung und Fehlfunktion im Menschen zu Krankheiten führen können.
Publications
- (2013) Cotranslational folding of membrane proteins probed by arrest-peptide-mediated force measurements. Proc Natl Acad Sci USA 36, 14640-14645
Cymer, F.,and von Heijne, G.
- (2014) Weak pulling forces excerted on Nin-orientated transmembrane segments during co-translational insertion into the inner membrane of Escherichia coli, FEBS letters 10, 1930-1934
Cymer, F., Ismail, N., and von Heijne G.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.febslet.2014.03.050)
