Chaperone interactions with ribosome-bound nascent chains: Role in protein folding
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Proteine sind die wesentlichen Funktionsträger der Zelle. Sie werden als Polymerketten aus den 20 Aminosäuren an den Ribosomen synthetisiert. Um ihre biologische Aktivität zu erlangen, müssen sich die neu-synthetisierten Proteinketten jedoch zunächst in eine genau definierte drei-dimensionale Konformation falten. Dieser Faltungsprozess ist komplex und kann fehlerhaft verlaufen. Fehlgefaltete Proteine haben die Tendenz, zu Aggregaten zu verklumpen. Die Bildung von Proteinaggregaten ist ursächlich mit verschiedenen neurodegenerativen Krankheiten wie Morbus Alzheimer und Parkinson verbunden. Ein detailliertes Verständnis der Proteinfaltung ist daher nicht nur von grundlegendem Forschungsinteresse, sondern auch von erheblicher medizinischer Bedeutung. Im Laufe der letzten zwei Jahrzehnte wurde erkannt, dass die effiziente Proteinfaltung in der Zelle nicht spontan verläuft, wie zunächst angenommen, sondern durch spezielle Helferproteine, die so genannten molekularen Chaperone, vermittelte wird. Diese Komponenten - selbst Proteine - binden die neu-synthetisierten Proteinkettem sobald sie aus dem Ribosom austreten und verhindern ihre Fehlfaltung und Aggregation. Wie dies genau abläuft ist Gegenstand intensiver Forschung. Im vorliegenden Projekt wurden die frühen Schritte der Chaperon-vermittelten Proteinfaltung am Ribosom untersucht. Ausserdem war die supra-molekulare Organisation der Ribosomen zu Protein-synthetisierenden Polyribosomenkomplexen von Interesse. Es zeigte sich, dass die naszierenden Proteine zu falten beginnen, wenn die Ketten eine Mindestlänge erreicht haben, welche Kompaktierung und die Ausbildung nativer Strukturelemente erlaubt. Dieser Prozess wird von Chaperonen begleitet und moduliert. Ein als Triggerfaktor bezeichnetes Chaperon verzögert beispielsweise die Faltung und verhindert dadurch die Bildung fehlerhafter Strukturen, die zu einem späteren Zeitpunkt nur schwer reversible wären. In einer Kooperation mit der Gruppe von Wolfgang Baumeister konnte mit Hilfe der Kryoelektronentomographie, einer speziellen Methode der Elektronenmikroskopie, der überraschende Befund erzielt werden, dass die Ribosomen hochorganisierte Komplexe bilden. In diesen Strukturen sind multiple Ribosomen dicht gepackt und nehmen eine pseudohelikale Topologie ein, wobei jedes Ribosom ein Molekül der gleichen Proteinspezies synthetisiert. Interessanterweise sind die Ribosomen dabei so assembliert, dass die naszenten Proteinketten auf maximalem Abstand gehalten werden. Somit trägt die Organisation der Ribosomen dazu bei, Proteinaggregation zu minimieren und unterstützt die Wirkung der Chaperone. Diese Befunde tragen zu einem besseren Verständnis der Proteinbiogenese und der Mechanismen der zellulären Proteinfaltung bei.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2009). The native 3D organization of bacterial polysomes. Cell 136, 261-271
Brandt, F., Etchells, S.A., Ortiz, J.O., Elcock, A.H., Hartl, F.U., and Baumeister, W.
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(2010). Physico-Chemical Determinants of chaperone requirements. J Mol Biol 400, 579-588
Tartaglia, G.G., Dobson, C.M., Hartl, F.U. and Vendruscolo, M.
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(2010). The threedimensional organization of polyribosomes in intact human cells. Mol Cell 39, 560-569
Brandt, F., Carlson, L.-A., Hartl, F.U., Baumeister, W. and Grunewald, K.
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(2010). Trigger factor lacking the PPIase domain can enhance the folding of eukaryotic multi-domain proteins in E. coli. FEBS Lett 584, 3620-3624
Gupta, R., Lakshmipathy, S.K., Chang, H.C., Etchells, S.A. and Hartl, F.U.
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(2010). Versatility of Trigger factor interactions with ribosome-nascent chain complexes. J Biol Chem 285, 27911-27923
Lakshmipathy, S.K., Gupta, R., Pinkert, S., Etchells, S.A. and Hartl, F.U.
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(2011). Molecular chaperones in protein folding and proteostasis. Nature 475, 324-332
Hartl, F.U., Bracher, A., and Hayer-Hartl, M.
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(2012). DnaK functions as a central hub in the E. coli chaperone network. Cell Reports 1, 251-264
Calloni, G., Chen, T., Schermann, S.M., Chang, H.-C., Genevaux, P., Agostini, F., Tartaglia, G.G., Hayer-Hartl, M., and Hartl, F.U.
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(2012). Folding of large multidomain proteins by partial encapsulation in the chaperonin TRiC/CCT. Proc Natl Acad Sci USA 109, 21208-21215
Rüßmann, F., Stemp, M.J., Mönkemeyer, L., Etchells, S.A., Bracher, and Hartl F.U.
