Proteinfaltung und Chaperone

Auf einen Blick

Proteine übernehmen ihre Aufgaben durch ihre chemischen Eigenschaften und ihre räumliche Organisation. Chaperone sind Proteine, die andere Proteine während der Faltung, beim Transport und bei der Qualitätskontrolle begleiten. Gemeinsam mit Synthese und Abbau tragen sie zur Proteostase bei: dem geregelten Bestand funktionsfähiger Proteine in einer Zelle. Diese Arbeit läuft während der normalen Zelltätigkeit und wird bei Belastungen angepasst. [2] [5]

Von der Aminosäurefolge zur räumlichen Struktur

Ein Ribosom verknüpft Aminosäuren zu einer Polypeptidkette. Ihre Reihenfolge bildet die Primärstruktur. In einzelnen Abschnitten können sich regelmäßige Anordnungen bilden, etwa α-Helices und β-Faltblätter. Diese lokalen Muster gehören zur Sekundärstruktur. Die gesamte räumliche Anordnung einer Kette wird als Tertiärstruktur bezeichnet. Lagern sich mehrere Untereinheiten zu einem Komplex zusammen, beschreibt die Quartärstruktur deren Zusammenwirken. [1]

Zur Stabilität tragen Wasserstoffbrücken, elektrostatische Wechselwirkungen und die Verteilung wasserzugewandter beziehungsweise wasserabweisender Bereiche bei. Bei manchen Proteinen kommen Disulfidbrücken zwischen Cysteinresten hinzu. So entstehen Oberflächen, Bindestellen und bewegliche Bereiche, die für die jeweilige Funktion geeignet sind. Die räumliche Gestalt eines Enzyms beeinflusst beispielsweise, wie sein Substrat an die aktive Stelle gelangt. [1]

Während der Faltung entstehen Zwischenzustände

Eine neu entstehende oder teilweise entfaltete Kette kann Abschnitte freilegen, die im fertigen Protein weiter innen liegen. Treffen solche Bereiche verschiedener Moleküle aufeinander, können sie sich zusammenlagern. Diese Aggregation konkurriert mit der Ausbildung einer funktionellen Struktur. Auch innerhalb einer einzelnen Kette können Kontakte entstehen, aus denen sich das Molekül erst wieder lösen muss. Für große Proteine mit mehreren Domänen sind solche Zwischenzustände besonders aufschlussreich. [2] [4]

Chaperone begleiten verschiedene Schritte des Proteinlebens

Chaperone binden vorübergehend an andere Proteine. Ihre Partner werden häufig als Klienten oder Substrate bezeichnet. Je nach Chaperonsystem werden freiliegende Abschnitte stabilisiert, neue Faltungsversuche ermöglicht oder Proteine an weitere Komponenten übergeben. Die Zusammenarbeit kann bereits bei neu gebildeten Ketten beginnen und später beim Aufbau größerer Komplexe, beim Transport zwischen Zellräumen und beim Abbau fortgesetzt werden. [2]

Viele dieser Helfer gehören zu den Hitzeschockproteinen, abgekürzt HSP. Der Name verweist auf ihre Entdeckung im Zusammenhang mit Hitzestress. Zu den bekannten Familien zählen Hsp70 und Hsp90. Die Zahlen bezeichnen ungefähr ihre Molekülmasse in Kilodalton. Innerhalb einer Familie unterscheiden sich die Mitglieder nach Gen, Aufenthaltsort und Regulation. Das menschliche HSPA1A codiert beispielsweise ein durch Hitzeschock induzierbares Hsp70-Protein. [5]

Hsp70 verbindet zwei funktionelle Domänen

Hsp70-Proteine besitzen eine Nukleotidbindedomäne und eine Substratbindedomäne. Die erste bindet ATP beziehungsweise ADP; die zweite erkennt bestimmte Abschnitte einer Polypeptidkette. Ein Verbindungsstück koppelt beide Bereiche. Zur Substratbindedomäne gehört ein beweglicher, aus α-Helices aufgebauter Deckel. Die beiden Domänen beeinflussen sich gegenseitig: Der Nukleotidzustand verändert die Bindung des Proteinabschnitts. [3]

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Binden und Freigeben bilden einen Arbeitszyklus

Im ATP-gebundenen Zustand ist der Austausch von Proteinabschnitten an Hsp70 rasch. Die Umwandlung von ATP zu ADP begünstigt einen Zustand mit stabilerer Substratbindung. Wird ADP wieder gegen ATP ausgetauscht, kann sich das gebundene Segment leichter lösen. In dieser Freigabephase kann das Klientenprotein weitere Faltungsschritte durchlaufen. Mehrere Runden des Bindens und Freigebens sind möglich. [3] [6]

Co-Chaperone stimmen die einzelnen Schritte aufeinander ab. J-Domänen-Proteine unterstützen unter anderem die ATP-Hydrolyse. Nukleotidaustauschfaktoren erleichtern den Wechsel von ADP zu ATP. Welche Partner beteiligt sind, beeinflusst zugleich den weiteren Weg eines Klienten. Das menschliche HSPA8, häufig Hsc70 genannt, arbeitet beispielsweise mit solchen Partnern bei Faltung und Qualitätskontrolle zusammen. [6]

Wie sich der Zustandswechsel untersuchen lässt

Qi und Mitarbeitende bestimmten 2013 die Kristallstruktur einer ATP-gebundenen Variante von DnaK, dem Hsp70 von Escherichia coli. Für die Kristallisation wurde das Protein gezielt verändert. Die Struktur zeigte enge Kontakte zwischen den Domänen und eine geöffnete Binderegion für Polypeptide. Ergänzende biochemische Versuche prüften die Verbindung zwischen ATP-Bindung und Substratfreigabe. Dieser Aufbau erschließt, wie eine Änderung an der Nukleotidbindestelle bis zur räumlich entfernten Substratbindestelle weitergegeben werden kann. [3]

Ein leuchtendes Enzym macht erfolgreiche Faltung messbar

Ein Versuch von Imamoglu und Mitarbeitenden aus dem Jahr 2020 nutzte die Luciferase des Leuchtkäfers als Modellprotein. Ihre wiedergewonnene Enzymaktivität ließ sich anhand der Lichtemission verfolgen. Das untersuchte Chaperonsystem bestand aus den bakteriellen Proteinen DnaK, DnaJ und GrpE sowie ATP. Die Forschenden kombinierten die Aktivitätsmessung mit Verfahren, die Abstände und zugängliche Regionen innerhalb des Proteins erfassen. [4]

Auch bei so niedrigen Luciferase-Konzentrationen, dass Aggregation vermieden wurde, verlief die spontane Rückfaltung langsam. Das Chaperonsystem beschleunigte die produktive Faltung ungefähr um den Faktor 20. Die Ergebnisse stützten einen Ablauf, bei dem DnaK ungünstige Kontakte in einem Zwischenzustand löst. Nach der Freigabe gelangt ein Teil der Moleküle auf einen rascheren Faltungsweg. Der Versuch beschreibt damit einen molekularen Mechanismus an einem genau festgelegten Modellprotein. [4]

Eigene Chaperonsysteme arbeiten in verschiedenen Zellräumen

Proteine gelangen je nach Bestimmung in unterschiedliche Kompartimente (Zellräume). Das Lumen des endoplasmatischen Retikulums ist ein wichtiger Ort für Faltung und Qualitätskontrolle von Proteinen des sekretorischen Wegs. Dort arbeitet das Hsp70-Familienmitglied HSPA5, auch BiP oder GRP78 genannt. Es begleitet Proteine innerhalb dieses Membranraums und wirkt an der Abstimmung zwischen Proteinbelastung und Zellantwort mit. [7]

Im Retikulum gehören unter anderem ERdj3, BiP und Grp94 zu einem Netz zusammenarbeitender Chaperone. Sie werden den Familien Hsp40, Hsp70 und Hsp90 zugeordnet. Ihre räumliche Verteilung und die möglichen Übergaben von Klienten sind Gegenstand mechanistischer Untersuchungen. Die Arbeit in einem bestimmten Kompartiment verbindet somit die jeweiligen Klienten mit den dort verfügbaren Partnern und Abbauwegen. [10]

HSF1 verbindet Proteinbelastung mit Genregulation

Bei der Hitzeschockantwort verändert die Zelle die Aktivität bestimmter Gene. Eine zentrale Rolle spielt HSF1, der Hitzeschock-Transkriptionsfaktor 1. Aktiviertes HSF1 kann als Trimer aus drei Untereinheiten an passende DNA-Abschnitte binden und die Transkription von Zielgenen beeinflussen. Dazu gehören Gene für Komponenten der Proteostase. So wird die vorhandene molekulare Ausstattung an die Proteinbelastung angepasst. [8]

Kmiecik und Mitarbeitende untersuchten 2020 auch die Abschwächung dieser Antwort. Mit gereinigten Proteinen zeigten sie, wie Hsc70 gemeinsam mit DnaJB1 HSF1 von der DNA lösen und die Trimere zerlegen kann. Ergänzende Versuche nutzten veränderte embryonale Mausfibroblasten und einen Reporter für die Genaktivität. Die Befunde verknüpfen die Verfügbarkeit bestimmter Chaperone mit der Rückkopplung auf den Transkriptionsfaktor. [8]

Qualitätskontrolle verbindet Faltung und gezielten Abbau

Die weitere Verwendung eines Proteins hängt auch von seinen Bindungspartnern ab. Beim menschlichen HSPA1A können Co-Chaperone Wege zur erneuten Faltung oder zur Markierung für den Abbau vermitteln. Zu diesem Netzwerk gehört STUB1, eine Ubiquitin-Ligase. Sie kann an der Kennzeichnung von Proteinen für die proteasomale Degradation beteiligt sein. Das Proteasom zerlegt entsprechend zugeführte Proteine in kleinere Bestandteile. [5]

Ein anderer Weg ist die chaperonvermittelte Autophagie. Hsc70 erkennt dabei bestimmte Sequenzmotive in zytosolischen Proteinen und unterstützt ihre Zuführung zur Lysosomenmembran. Nach dem Transport ins Lumen erfolgt dort der Abbau. Faltung, Auswahl und Wiederverwertung greifen auf diese Weise in die laufende Erneuerung des Proteinbestands ein. [6]

Welche Messgröße eine Wärmestudie beim Menschen erfasst

Iguchi und Mitarbeitende untersuchten 2012 insgesamt 25 junge, gesunde Erwachsene. Sie saßen an getrennten Tagen jeweils 30 Minuten in einer Kammer bei 73 °C beziehungsweise 26 °C. Bei einer Untergruppe von 13 Personen wurden vor und nach der Hitzeexposition Blutproben gewonnen. Erfasst wurden unter anderem HSP72 im Plasma, Hormone, Herzfrequenz und Blutdruck. [9]

Nach der Hitzeexposition war die gemessene Konzentration des extrazellulären HSP72 erhöht. Extrazellulär bezeichnet hier den Raum außerhalb der Zellen, konkret das untersuchte Blutplasma. Der Versuch verbindet einen festgelegten Wärmereiz mit einer kurzfristigen Konzentrationsänderung in diesem Messraum. Für die Beschreibung eines Ergebnisses gehören deshalb das bestimmte Protein, das untersuchte Material und der Zeitpunkt der Messung zusammen. [9]

Begriffe zum Nachschlagen

• Proteostase: geregeltes Zusammenspiel von Proteinbildung, Faltung, Erhaltung und Abbau. [2]
• Konformation: räumliche Anordnung eines Moleküls oder Molekülbereichs. [1]
• Domäne: räumlich und funktionell beschreibbarer Teil eines Proteins. [3]
• Allosterie: Kopplung zwischen verschiedenen Bindestellen über Änderungen des Proteinverhaltens; bei Hsp70 zwischen Nukleotid- und Substratbindung. [3]
• Trimer: Komplex aus drei Untereinheiten; HSF1 kann in dieser Form an DNA binden. [8]

Verbundene Wissensbereiche

Die Zellorganellen ordnen die beteiligten Kompartimente räumlich ein. Der Nucleus cellulae (Zellkern) verbindet DNA, Transkription und geregelten Austausch. Der Eiweißstoffwechsel erklärt den Aminosäurepool und den Austausch zwischen Synthese und Abbau. Die Hormonrezeptoren erschließen weitere Beispiele für die Kopplung von Proteinstruktur und Signalverarbeitung.