(24. April 2014) Wissenschaftler um Irmgard Sinning vom Biochemie-Zentrum der Universität Heidelberg untersuchen Struktur und Funktion von molekularen Maschinen, die für die Herstellung und den zellulären Transport von Membranproteinen zuständig sind. Die Komplexe fungieren als Postsystem der Zelle und regeln den Transport von Membranproteinen zur Zellmembran und zu den Membranen von Zellorganellen.
Dabei spielen Signalerkennungspartikel (SRPs) eine zentrale Rolle, die in der Zelle als molekulare Briefträger Dienst tun. Die makromolekularen Komplexe binden über das SRP54 Protein an die Signalsequenz von Proteinen, die gerade an Ribosomen gebildet werden, wodurch sich die Translation verlangsamt. Komplexe aus Ribosom, Polypeptidkette und SRP werden an der Membran des rauhen Endoplasmatischen Retikulums (rER) verankert, indem die SRPs dort an spezielle Rezeptorproteine binden. Die SRPs werden daraufhin freigesetzt und die wachsenden Polypeptidketten über Translokationskanäle in das rER eingeschleust. Dort werden sie korrekt gefaltet, häufig kovalent modifiziert und zu Proteinkomplexen zusammengesetzt. Dann werden sie zum Golgiapparat transportiert und gelangen schließlich zu ihrem Bestimmungsort (zum Film, (1)).
Kontakt über Nukleotidbrücke
Den Heidelberger Wissenschaftlern ist es nun gelungen, die sogenannte S-Domäne des SRP strukturbiologisch zu charakterisieren (2). Dabei untersuchten sie die RNA-Bindedomäne des Proteins SRP68 allein und im Komplex mit SRP-RNA und mit dem Protein SRP19. Auf der Y-förmigen RNA-Struktur sitzt SRP19 im vereinfachenden 2D-Modell auf den oberen Y-Enden. Die RNA-Bindedomäne von SRP68 sitzt an der Basis der Gabelung. Dabei interagiert SRP68 vor allem mit dem Zuckerphosphat-Rückgrat der RNA.
Sinnings Team fand heraus, dass die SRP68-RNA-Bindedomäne die Struktur der RNA dergestalt verändert, dass die Nukleinsäure direkt an Ribosomen binden kann und auch zum Stoppen der Proteinelongation beitragen kann. Durch die Bindung von SRP68 wird nämlich ein Abschnitt der SRP-RNA geöffnet, eine kleine Schleife wird umgeformt und eine Helix gebogen. Dazu bedient sich SRP68 eines Arginin-reichen Motivs.
Auch die Gabelung der RNA stabilisiert sich durch die Bindung von SRP68. Die strukturellen Veränderungen machen zudem zwei benachbarte RNA-Basen zugänglich, die mit Basen in der 28S rRNA der Ribosomen wechselwirken. „Ohne diese Änderung könnte das SRP nicht richtig an das Ribosom binden, und der Transport der dort produzierten Proteine zum Translokations-Kanal würde blockiert“, erläutert die Strukturbiologin. Bei Erreichen des Translokations-Kanals wird dieser Kontakt wieder aufgelöst, und die beiden Basen stehen für die Regulation des Antriebssystems der Translokation zur Verfügung.
Sinning begann als Gruppenleiterin am EMBL in Heidelberg Struktur und Funktionsweise von SRPs zu analysieren. Seit 2000 ist sie Professorin für Biochemie und Strukturbiologie am Biochemie-Zentrum der Universität Heidelberg und leitet dort eine Arbeitsgruppe mit 25 Mitarbeitern. Bei ihren Untersuchungen geht die Forschungsgruppe ins atomare Detail. Dazu kommen Röntgenkristallographie, biochemische und biophysikalische Methoden zum Einsatz. Die beiden größten SRP-Proteine, SRP68 und SRP72, hatten sich bisher hartnäckig einer näheren Untersuchung verweigert, da sie nicht besonders stabil sind.
Von der DFG ausgezeichnet
In den letzten Jahren haben Sinning und ihre Mitarbeiter die SRP-Systeme von Pro- und Eukaryonten systematisch analysiert (3). Sie konnten unter anderem die Struktur eines SRP-Kernpartikels aus dem Protein SRP19 und SRP-RNA aufklären. Für ihre Arbeiten erhielt die Strukturbiologin im März 2014 den Leibniz-Preis, der mit 2,5 Millionen Euro dotiert ist (4). Für Sinning kam die Auszeichnung überraschend. Völlig geplättet sei sie gewesen, als sie von der DFG darüber informiert wurde. Bei soviel finanziellem Rückenwind für die Grundlagenforschung darf man auf die kommenden Publikationen gespannt sein.
Bettina Dupont
Abb.: iStock Photo
Quellen:
(1) Grotwinkel, Wild, Segnitz and Sinning: SRP RNA remodeling by SRP68 explains its role in protein translocation, Science Vol. 344 no. 6179 pp. 101-104, DOI: 10.1126/science.1249094 & Pressemitteilung
(2) Lehrfilm zur Protein-Translokation auf Englisch
(3) Forschungsschwerpunkte von Irmgard Sinning
(4) DFG-Porträt von Sinning zum Leibniz-Preis
Über die persönliche Seite der Preisträgerin gibt auch ein Porträt in der Augsburger Allgemeinen Auskunft.