Wer braucht eigentlich eine Anstandsdame?
Ende der achtziger Jahre erkannten Biochemiker, dass heranwachsende Biomoleküle in der Zelle teils ähnlich behütet werden wie höhere Töchter in der Viktorianischen Gesellschaft. So genannte "Chaperone", wie sie nach dem englischen Wort für Anstandsdame heißen, achten darauf, dass sich die Aminosäureketten frisch synthetisierter Proteine in schicklicher Weise zu dreidimensionalen Gebilden zusammenlegen oder "falten", ohne dabei unzüchtige Kontakte zu ihresgleichen einzugehen (Spektrum der Wissenschaft, 3/94, S. 16). Außerdem verhelfen sie solchen Eiweißstoffen, die sich erhitzt haben und dabei "zerzaust" wurden, zurück zu einer tadellosen Erscheinung. (Viele von ihnen gehören somit zur Gruppe der Hitzeschockproteine, die bei Stress verstärkt hergestellt werden.) Die Anstandsdamen machen ihren Schützlingen keineswegs Vorschriften, welche Faltungsmuster sie annehmen sollen – das müssen die Aminosäureketten von allein "wissen" –, sondern greifen nur unterstützend ein. Ihre Hilfestellung besteht lediglich aus einem Festhalten und Loslassen zur rechten Zeit und am richtigen Ort.
Inzwischen sind viele Feinheiten der Funktionsweise einzelner Chaperone – insbesondere des klassischen Modellsystems GroEl aus dem Darmbakterium Escherichia coli – aufgeklärt worden. Röntgenstrukturanalysen von diesem und anderen Chaperonen ermöglichten es, den Mechanismus der Faltungshilfe bis ins Detail nachzuvollziehen (Spektrum der Wissenschaft, 4/95, S. 16). Geometrisch gesehen, handelt es sich bei GroEl und seinen Konsorten um Fässer mit Deckeln, die das zu faltende Protein in ihr Inneres aufnehmen.
Eine wichtige Frage blieb jedoch bis vor kurzem unbeantwortet: Welche Proteine sind es, die nach ihrer Synthese oder zu einem späteren Zeitpunkt den Beistand einer molekularen Gouvernante in Anspruch nehmen? Zwei neueren Arbeiten zufolge unterscheiden sich das bakterielle GroEl und sein Pendant in höheren Organismen sehr deutlich, was den angebotenen Service und die jeweilige Kundschaft angeht (Nature, Bd. 402, S. 147).
Für diese Untersuchungen kooperierte der Chaperonforscher F. Ulrich Hartl vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried mit seinen Institutskollegen Christoph Eckerskorn und Friedrich Lottspeich, die über langjährige Erfahrung in der Identifizierung auch winzigster Spuren von Proteinen verfügen. Die Forscher wollten die beiden Funktionen des Chaperons auseinander halten, nämlich die Faltungshilfe direkt nach der Synthese einerseits und die späteren "Wartungsarbeiten" an schadhaften Proteinen andererseits. Deshalb beschränkten sie ihre Untersuchung auf eine Gruppe von Proteinmolekülen, die alle zur selben Zeit von der Zelle hergestellt wurden. Dazu fütterten sie den Bakterien für eine kurze Zeitspanne von 15 Sekunden (den "Puls") eine radioaktiv markierte Aminosäure, die die Mikroben direkt in ihre in Produktion befindlichen Proteine einbauten. Die Radioaktivität diente später als Nachweismethode. Dadurch erfassten die Forscher nur solche Proteine, die während der Puls-Zeitspanne synthetisiert wurden. Indem sie den Zeitraum zwischen dem Puls und dem Abtöten der Bakterien variierten, konnten sie die Situation zu verschiedenen Zeiten nach der Synthese analysieren.
Dabei wurden die Zellen auf Eis gelegt und unter Bedingungen aufgebrochen, welche das GroEl von der Energieversorgung durch Adenosintriphosphat (ATP) abschnitt. Dies legte die Anstandsdame mitten in der Arbeit lahm. Insbesondere konnte sie Proteine, die sie sich gerade zwecks Faltungshilfe gegriffen hatte, nicht mehr loslassen. Alles vorhandene GroEl – mitsamt den gegebenenfalls daran gebundenen Proteinen – wurde dann mit einem für das Chaperon spezifischen Antikörper aus dem Zellaufschluss abgetrennt. Danach spalteten die Martinsrieder Wissenschaftler die gebundenen Proteine vom Chaperon ab und isolierten sie durch zweidimensionale Elektrophorese (Kasten auf Seite 24).
Wurde diese Prozedur direkt im Anschluss an den Markierungspuls durchgeführt, lieferte sie 250 bis 300 Proteine. Diese benötigen offenbar gleich nach ihrer Synthese die Hilfe des Chaperons. Ihre Zahl entspricht rund zehn Prozent aller im Cytoplasma von E. coli vorhandenen Proteine. Es sind überwiegend mittelgroße Moleküle aus einigen hundert Aminosäuren (Molekulargewicht: 20 bis 60 Kilodalton). Ihr Faltungsmuster ist schon recht kompliziert, aber sie sind noch klein genug, um in das GroEl-Fass hineinzupassen.
Vergrößert man den Zeitabstand zwischen Markierungspuls und Analyse, nimmt die Menge dieser Proteine rasch ab. Die Mehrzahl scheint innerhalb weniger Minuten von GroEl entlassen zu werden. Bei Zeitabständen zwischen zehn Minuten und zwei Stunden fanden die Forscher aber immer noch eine kleine Zahl von gebundenen Proteinen. Diese "Wartungskunden" bilden eine Teilmenge der direkt nach der Synthese betreuten Proteine. Sie sind offenbar besonders empfindlich; denn sie nehmen während der Generationsdauer der Bakterien – etwa eine Stunde von einer Zellteilung bis zur nächsten – den Wartungsservice von GroEl durchschnittlich viermal in Anspruch, was bei Normalbedingungen die Kapazität der Chaperon-Riege in der Zelle zu etwa 30 Prozent auslastet. Bei Hitzebehandlung, wenn mehr Proteine aus der Façon geraten, kann die Auslastung auf das Doppelte ansteigen.
Die Martinsrieder Forscher konnten 52 der Wartungskunden eindeutig ermitteln, indem sie deren Aminosäuresequenz teilweise bestimmten. Zeichnen sich diese durch eine besondere Gemeinsamkeit aus? Wie bei früheren Vergleichen einzelner Proteine, die den Faltungsservice in Anspruch nahmen, ließ sich auch bei dieser umfassenden Studie keine bestimmte Reihenfolge von Aminosäuren (kein so genanntes Sequenzmotiv) identifizieren, die dem Chaperon Hilfsbedürftigkeit signalisieren könnte. Abgesehen von der erwähnten Größenpräferenz von 20 bis 60 Kilodalton enthalten überdurchschnittlich viele der Wartungskunden allerdings Bereiche ("Domänen"), in denen sowohl schraubenförmige (alpha-Helices) als auch wellblechartige (beta-Faltblätter) Anordnungen der Aminosäurekette vorkommen; Domänen mit reiner Helix- oder Faltblattstruktur sind dagegen selten. Dies ist plausibel, weil man aus Untersuchungen der Proteinfaltung weiß, dass sich die Faltblätter in solchen gemischten Strukturen oft nur schlecht bilden.
Im Cytoplasma von Zellen höherer Lebewesen findet sich eine molekulare Anstandsdame namens CCT, die in ihrer fassartigen Form dem bakteriellen GroEl ähnelt, in den Details aber von ihm abweicht. Der verblüffendste Unterschied zwischen beiden Systemen ist der, dass das CCT nicht mit Hunderten von Proteinen in Wechselwirkung tritt wie das GroEl, sondern nur mit einigen wenigen – hauptsächlich mit Actin und Tubulin, den Bausteinen für die faserigen Muskelfilamente beziehungsweise für die röhrenartigen Microtubuli des Zellgerüsts. Filamente wie Röhren dienen als Schienen für so genannte Motorproteine, die an ihnen entlanggleiten. Im Falle der Muskelfasern robbt sich der Eiweißstoff Myosin an der Schiene entlang und erzeugt so die Muskelbewegung; bei den Microtubuli ist es Kinesin, das als "Wagen" in einer Art Güterzug-Frachtverkehr bestimmte "Waren" gezielt durch die Zelle befördert.
Arbeitsgruppen aus Madrid und London konnten jetzt mittels Elektronenmikroskopie die strukturellen Details der Bindung zwischen Actin und CCT aufklären (Nature, Bd. 402, S. 693). Während das Fass beim GroEl aus sieben identischen "Dauben" besteht, sind es beim CTT acht leicht verschiedene. Wie der spanisch-englische Wissenschaftlerverbund unter José M. Valpuesta herausfand, heftet sich das v-förmige Actin-Molekül immer an ganz bestimmte Untereinheiten: Sein eines Ende bindet sich an die mit delta bezeichnete Einheit, das andere an eine drei Positionen davon entfernte.
Angesichts der Erkenntnis, dass CTT so viel wählerischer ist als GroEl, stellt sich die Frage, warum Actin und Tubulin diese Vorzugsbehandlung bekommen und wer denn dann die mittelgroßen alpha/beta-Proteine in den Zellen höherer Lebewesen einschließlich uns Menschen beim Falten hilft. Der Vergleich zwischen den beiden ungleichen Anstandsdamen dürfte vor allem Evolutionsforscher interessieren. Aber auch Biotechnologen, die gemischte alpha/beta-Proteine gentechnisch herstellen wollen, können von den neuen Erkenntnissen profitieren. Ihnen raten Hartl und Kollegen, die zur Faltung erforderliche Menge an GroEl von der genmanipulierten Zelle gleich mitsynthetisieren zu lassen.
Indem die Martinsrieder das Kundenverzeichnis eines Chaperons ermittelten, machten sie zugleich einen ersten Schritt in die viel beschworene "Proteom"-Ära, die auf die Epoche der Genom-Sequenzierung folgen soll. In Kürze wird auch die komplette Erbinformation des Menschen entschlüsselt sein. Sobald alle Gene eines Organismus bekannt sind, gilt es, die Gesamtheit der daraus abgeleiteten Proteine zu charaktisieren und – unter anderem durch Vergleichsuntersuchungen wie die geschilderten – ihre Funktion zu bestimmen.
Aus: Spektrum der Wissenschaft 4 / 2000, Seite 17
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
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