Zelluläre Transportsysteme in 3D

Zellen höherer Lebewesen sind von einem weitverzweigten Netzwerk von Membrankanälen durchzogen, dem sogenannten Endoplasmatischen Retikulum (ER). Ans ER binden zahlreiche Ribosomen, die Proteinfabriken der Zellen. Um ihren Einsatzort in der Zelle zu erreichen, müssen dort produzierte Proteine chemisch „etikettiert“ und durch die Membran transportiert werden. Wissenschaftler um Professor Roland Beckmann vom Genzentrum der LMU zeigen in Kooperation mit Kollegen vom Max-Planck-Institut für Biochemie nun erstmals in dreidimensionaler Darstellung, wie die an Transport und Etikettierung beteiligten Molekülkomplexe interagieren – eine wichtige Basis für ein besseres Verständnis dieser lebenswichtigen Prozesse. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Science.

Zellmembranen bestehen aus einer Lipid-Doppelschicht und können von Molekülen, die elektrische Ladungen tragen, wie Proteinen kaum passiert werden. Deshalb existieren in der Membran des Endoplasmatischen Retikulums Transportkanäle für Proteine, sogenannte Translokons, durch die am ER produzierte Proteine geschleust werden. Zusätzlich werden die Proteine noch während ihrer Synthese durch das Anhängen von Zuckerresten chemisch modifiziert. Diese Modifikation wird als Glykosylierung bezeichnet und fungiert als molekulares Adressschild, das dem Protein den richtigen Zielort zuweist. Darüber hinaus ist sie auch für die korrekte Proteinfaltung wichtig. „Fehler bei der Glykosylierung führen dazu, dass sich falsch gefaltete Proteine anhäufen und zelluläre Stressmechanismen aktiviert werden – mit meist letalen Folgen für die Zelle“, sagt Katharina Braunger, Mitarbeiterin in Beckmanns Team und Erstautorin der Studie.

Im Translokon ist der sogenannte OST-Komplex dafür zuständig, schon während der Proteinsynthese das Anheften der richtigen Zucker-Ketten zu katalysieren. Dabei existieren in höheren Organismen zwei leicht verschiedene Formen von OST. Die Wissenschaftler konnten nun mithilfe einer Kombination von Kryo-Elektronenmikroskopie und -tomographie erstmals strukturell nachweisen, dass diese Varianten unterschiedliche Funktionen erfüllen: Die sogenannte A-Variante bildet mit dem proteinproduzierenden Ribosom sowie dem Protein-Transportkanal einen stabilen Komplex und modifiziert das Protein noch während der Produktion. Die andere Variante dagegen bindet nicht und interagiert also nicht direkt mit dem Translokon. „Diese Variante funktioniert eher als Qualitätskontrolle beziehungsweise für Modifikationsstellen, die der A-Variante nicht zugänglich sind“, sagt Beckmann. Mithilfe ihrer Ergebnisse konnten die Wissenschaftler nicht nur die dreidimensionale Anordnung der OST-Untereinheiten aufklären, sondern auch ein molekulares Modell erstellen, das Rückschlüsse auf die Mechanismen dieser Spezifität zulässt und zeigt, wie Protein-Transport und Glykosylierung gekoppelt sind.Science 2018