Zerstörerische Umarmung

Im Prinzip ist eine menschliche Zelle eine chemische Fabrik im Miniaturformat. Ständig ist sie damit beschäftigt, Proteine zu synthetisieren, mit denen sie ihre zahlreichen Aufgaben erfüllen kann. Der Prozess der Proteinbiosynthese erfolgt durch große „molekulare Maschinen“, die die Zelle in mühevoller Arbeit zunächst zusammenbauen muss. Ein Beispiel für solch eine Maschine ist das Spleißosom. Wie es produziert wird, war lange Zeit ein nur in Ansätzen gelöstes Rätsel. Wissenschaftler aus Würzburg und Göttingen konnten jetzt viele offene Fragen klären, wie die Fachzeitschrift Molecular Cell in ihrer neuesten Ausgabe berichtet.

Das Spleißosom – eine komplizierte Maschine

„Das Spleißosom ist eine der kompliziertesten Maschinen innerhalb der Zelle. Es lagert sich ständig um, tauscht Proteine aus und ist überhaupt äußerst dynamisch“, sagt Professor Utz Fischer. Seit mehr als 15 Jahren forscht der Inhaber des Lehrstuhls für Biochemie bereits an diesem Komplex. Spleißosomen kontrollieren im Inneren des Zellkerns die Übertragung des genetischen Codes in Proteine. Sie entfernen aus der Boten-RNA diejenigen Abschnitte, die keine Protein-kodierenden Informationen enthalten und fügen die Informationstragenden Abschnitte wieder zusammen. Hergestellt werden sie von der Zelle selbst – allerdings außerhalb des Zellkerns, im sogenannten Zytoplasma.

Dieses Zytoplasma darf man sich nicht wie eine sauber aufgeräumte Montagehalle vorstellen, in der viel Platz für die jeweiligen Arbeiten ist – im Gegenteil. „Dort ist es unvorstellbar eng. In der Wissenschaft spricht man von ‚molecular crowding‘“, sagt Fischer. Damit die Zelle dennoch in der Lage ist, die benötigten Bausteine für ihre molekularen Maschinen innerhalb kürzester Zeit an einem Ort zu konzentrieren und zusammenzufügen, setzt sie spezielle Helfer ein, sogenannte Chaperone – der englische Ausdruck für Anstandsdame. Im Fall der Spleißosome kommt, wie die Würzburger zeigen konnten, ein besonders „trickreiches“ Chaperon zum Einsatz.

Wie Spleißosome aufgebaut sind

Weit über 100 Proteine und fünf kleine nicht-kodierende RNAs sind Bestandteile menschlicher Spleißosomen. Diese zahlreichen Bausteine liegen in einer Reihe definierter Funktionseinheiten vor, deren prominenteste Vertreter sogenannte snRNP-Komplexe sind. Diese wiederum weisen alle einen ähnlichen Aufbau auf: Sieben evolutionär untereinander verwandte „allgemeine“ Proteine bilden eine ringförmige „Kern“-Struktur, durch deren Mitte ein RNA-Strang verläuft. Dazu kommen weitere spezielle Proteine; sie sind dafür verantwortlich, dass die jeweiligen snRNP-Untereinheiten ganz spezielle Aufgaben innerhalb des Spleißprozesses übernehmen – eine Art makromolekulare Arbeitsteilung also.

„Wenn man RNA und die entsprechenden Proteine in ein Reagenzglas gibt und eine Weile wartet, bildet sich die Kernstruktur der snRNPs von alleine“, erklärt Utz Fischer. In einer Zelle wäre das wenig effektiv. Abwarten, bis die jeweiligen Proteine an der richtigen Stelle zusammenkommen und darauf hoffen, dass sie ihre spezifische Ziel-RNA finden: „Das würde die Lebensvorgänge dramatisch verlangsamen und wohl auch viel zu viele Fehler produzieren“, so der Biochemiker. Aus diesem Grund geht die Zelle den Prozess aktiv an und setzt Chaperone ein. Deren Aufgabe ist es, die sieben allgemeinen Proteine in eine ringförmige Struktur zu bringen und mit dem RNA-Strang zu verbinden. Das geschieht in zwei Schritten, wie das Wissenschaftler-Team jetzt erstmalig zeigen konnte.

Gefangen in der kinetischen Falle

Vereinfacht wird dieser Prozess durch die Tatsache, dass sich die sieben allgemeinen Proteine bereits zuvor zu drei unterschiedlichen „Bausteinen“ zusammenlagern. Diese drei besitzen in etwa die Form von Tortenstücken. Legen sie sich mit ihren Kontaktstellen an den Längsseiten aneinander, ergibt sich annähernd wieder das Bild einer Torte, von oben gesehen, mit einem Loch in der Mitte, durch das der RNA-Strang verlaufen kann.

Zwei dieser drei Bausteine bringt das „Assembly-Chaperon“ pICln zusammen. Es täuscht quasi vor, der dritte Baustein zu sein, setzt sich an dessen Stelle und bringt auf diese Weise die Torte oder den Ring in Form. Das Problem ist jetzt allerdings, dass es diesen Platz „freiwillig“, das heißt ohne den Einsatz von Energie nicht wieder verlässt, um so dem eigentlichen Baustein Platz zu machen. Der Komplex sitzt in einer „kinetischen Falle“.

Der Weg aus der Falle

Wie kommt der nun wieder aus dieser Falle heraus? „Eine riesige Maschine, der sogenannte SMN-Komplex übernimmt diese Arbeit“, erklärt Fischer. Fischer selbst hat diesen Komplex vor rund zwölf Jahren identifiziert. Damals waren Forscher auf der Suche nach dem Auslöser der Krankheit „Spinale Muskelatrophie“, die, wie sich wenig später herausstellte, durch verringerte Mengen an einem Protein des SMN-Komplexes hervorgerufen wird. Daher weisen die Betroffenen zu wenig SMN-Komplexe auf, ihre Muskeln an Armen und Beinen sind deshalb schlaff und gelähmt; in schweren Fällen ist auch die Atemmuskulatur betroffen. Die Arbeit an den SMN-Komplexen hat Fischer seitdem nicht mehr losgelassen.

„Aufgabe des SMN-Komplexes ist es, den geschlossenen Ring, der kinetisch blockiert ist, zu öffnen“, sagt Fischer. Das gelingt ihm mit einer Kombination aus einer Umarmungs- und einer Zerrüttungsstrategie: Mit einer speziellen Eiweiß-Struktur, die den Namen „Gemin2“ trägt, legt sich der SMN-Komplex so an den Ring, dass ein armähnlicher Fortsatz von Gemin2 Kontakt mit dem benachbarten Baustein aufnimmt. Anschließend bindet SMN an die Oberseite des Rings – exakt an der Stelle, an der sich das kinetisch blockierte Chaperon befindet.

Die Folgen beschreibt Fischer so: „Der Ring wird instabil, er beginnt an einer ganz bestimmten Stelle zu schwingen, und kurze Zeit später bricht das System auseinander“. Damit ist der Platz frei für den fehlenden dritten Baustein und den RNA-Strang. Auf welche Weise genau sie dorthin gelangen, ist allerdings noch unklar.

Die Beteiligten

Mit einer Kombination aus Röntgenkristallographie und Elektronenmikroskopie ist es dem Team um Utz Fischer gelungen, diese Beobachtungen zu machen. In einer Kooperation der Labors von Clemens Grimm, Leiter der Kristallographie-Einheit in der Biochemie, und Jann-Patrick Pelz sowie von Hermann Schindelin und Caroline Kisker vom Rudolf-Virchow-Zentrum konnten die Wissenschaftler die Struktur der beteiligten Komplexe und die Vorgänge im Zellinneren aufklären. Außerdem war Fischers früherer Mitarbeiter Ashwin Chari an dem Projekt beteiligt, der inzwischen in Göttingen am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in der Gruppe von Holger Stark forscht.

Ein sinnvoller Aufwand

Solch ein gewaltiger Aufwand, um eine bestimmte Struktur zu erhalten: Ist das sinnvoll? „Ja“, antwortet Fischer. Seiner Meinung nach sind die Umwege und Zwischenschritte, die Eingriffe der Chaperone notwendig, um „Produktionsfehler“ zu verhindern. Denn „viele der daran beteiligten Proteine sind potenziell gefährlich“, sagt er. Ohne eine entsprechende Kontrolle könnten sie sich an falsche RNAs anlagern oder gar mit anderen Proteinen funktionsunfähige Aggregate bilden. Dass Letzteres im schlimmsten Fall zu Krankheiten führen kann, ist hinlänglich am Beispiel von Alzheimer und Parkinson bekannt.

Link

Ein kurzer Film, der das Geschehen verdeutlicht, ist hier zu sehen.

Structural Basis of Assembly Chaperone-Mediated snRNP Formation. Clemens Grimm, Ashwin Chari, Jann-Patrick Pelz, Jochen Kuper, Caroline Kisker, Kay Diederichs, Holger Stark, Hermann Schindelin and Utz Fischer. Molecular Cell, dx.doi.org/10.1016/j.molcel.2012.12.009

Kontakt

Prof. Dr. Utz Fischer, T: (0931) 31-84029, E-Mail: utz.fischer@biozentrum.uni-wuerzburg.de

Dr. Clemens Grimm, T: 0931) 31-84031, E-Mail: Clemens.grimm@uni-wuerzburg.de