Wissenschaftler aus Heidelberg und Freiburg identifizieren Mechanismus, mit dem sich Proteine in den Mitochondrien zu stabilen Komplexen zusammenlagern
Ein winziger Verarbeitungsschritt hat weitreichende Folgen für die Funktion der Mitochondrien: Die Abspaltung einer einzigen Aminosäure entscheidet darüber, ob sich in diesen Kraftwerken der Zelle neue Proteine zu stabilen Komplexen zusammenlagern können. Verantwortlich dafür ist ein bestimmtes Enzym, das die mitochondrialen Proteine an ihrem Anfang präzise zuschneidet. Fehlt dieser Schritt, verlieren zahlreiche Proteinkomplexe ihre Stabilität. Das zeigt die Studie eines Forschungsteams unter der Leitung von Prof. Dr. Nora Vögtle von der Universität Heidelberg und Prof. Dr. Pitter Huesgen von der Universität Freiburg. Die Wissenschaftler identifizierten damit einen bislang unbekannten Mechanismus, mit dem menschliche Zellen ihren mitochondrialen Proteinhaushalt stabilisieren.
Menschliche Zellen bestehen aus verschiedenen Organellen, die als funktionelle Systeme lebenswichtige Aufgaben erfüllen. Dazu gehören auch die Mitochondrien. Diese Kraftwerke der Zelle sind von zentraler Bedeutung für die Energiegewinnung, aber auch an zahlreichen Stoffwechsel- und Signalprozessen beteiligt. Die meisten mitochondrialen Proteine werden außerhalb der Organelle hergestellt und anschließend in die Mitochondrien eingeschleust. Dazu tragen sie an ihrem Anfang, dem sogenannten N-Terminus, eine Art molekulare Adresssequenz, die nach dem Import durch spezialisierte Enzyme entfernt wird. Die Proteine können sich dann zu stabilen Komplexen zusammenlagern, um ihre reife, funktionsfähige Form zu erhalten.
An dieser Reifung ist ein Enzym – ein biochemischer Katalysator – mit der Bezeichnung ICP55 beteiligt. Nachdem ein erstes Enzym die Adresssequenz am N-Terminus entfernt hat, spaltet ICP55 genau eine weitere Aminosäure ab. Welche Proteine diese beiden Schritte durchlaufen und welche Bedeutung dieser zweite winzige Verarbeitungsschritt für die Funktion menschlicher Mitochondrien hat, war bislang nicht bekannt. Die Forscherinnen und Forscher um Prof. Vögtle und Prof. Huesgen haben daher systematisch untersucht, welche der importierten Proteine von ICP55 verarbeitet werden und welche Folgen es hat, wenn das Enzym fehlt.
Mithilfe proteomischer Verfahren identifizierte das Forschungsteam den gereiften N-Terminus von 446 mitochondrialen Proteinen. Dabei konnten die Wissenschaftler 107 Proteine bestimmen, die eindeutig Ziel der Verarbeitung durch ICP55 sind. Um die Folgen einer fehlerhaften Proteinreifung zu untersuchen, erzeugte Prof. Vögtles Forschungsgruppe menschliche Zellen, in denen dieses Enzym fehlte. In diesem Zusammenhang zeigte sich, dass vor allem große Proteinkomplexe ihre Stabilität verlieren. Betroffen waren unter anderem die Komplexe der Atmungskette, die für die zelluläre Energiegewinnung von elementarer Bedeutung sind, ebenso wie auch der Komplex HSP60, der neu importierten oder unter Stress geschädigten Proteinen bei ihrer korrekten Faltung hilft.
Mit der Methode des Complexome Profiling analysierten die Forscherinnen und Forscher außerdem die Proteinorganisation der Mitochondrien in ihrer Gesamtheit. Fehlte ICP55, traten zahlreiche Proteine seltener in vollständig zusammengesetzten großen, sondern häufiger in kleineren Komplexen oder als einzelne Proteinbausteine auf. Betroffen waren neben der Atmungskette und HSP60 unter anderem auch die mitochondrialen Ribosomen – die Proteinfabriken der Mitochondrien – sowie Proteinkomplexe des Stoffwechsels. Am Beispiel von HSP60 konnten die Wissenschaftler auch direkt nachweisen, dass tatsächlich eine einzige zusätzliche Aminosäure für diese Destabilisierung ausreichend ist: Bereits zusammengesetzte Komplexe zerfielen im Reagenzglas wieder und es entstanden vermehrt einzelne HSP60-Proteinbausteine.
„Dass das Entfernen einer einzigen Aminosäure einen so grundlegenden Einfluss auf die Stabilität von Proteinkomplexen der Mitochondrien hat, war überraschend für uns“, betont Prof. Vögtle. „Damit ist das präzise Zuschneiden des N-Terminus entscheidend dafür, dass sich Proteine anschließend zu stabilen Komplexen zusammenlagern können“, so die Wissenschaftlerin, die am Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg eine Forschungsgruppe zur mitochondrialen Proteostase leitet. „Der exakte Ablauf der Verarbeitung mithilfe von ICP55 erweist sich als grundlegende Voraussetzung dafür, dass stabile funktionelle Einheiten entstehen können“, erläutert Prof. Huesgen. Der Biochemiker forscht an der Fakultät für Biologie der Universität Freiburg auf dem Gebiet der Proteomik.
Die aktuellen Erkenntnisse liefern nach Angaben der beiden Wissenschaftler einen möglichen molekularen Ansatzpunkt zu der Frage, wie Störungen der präzisen Proteinreifung die Funktion der Mitochondrien beeinträchtigen können. Sie könnten auch zu einem besseren Verständnis mitochondrialer Erkrankungen beitragen. An den Arbeiten waren auch Forscherinnen und Forscher des Biochemie-Zentrums der Universität Heidelberg, des Forschungszentrums Jülich und der Universität Fribourg (Schweiz) beteiligt. Sie wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert sowie mit Mitteln weiterer Förderprogramme unterstützt. Die Forschungsergebnisse sind in „Nature Structural & Molecular Biology“ erschienen.