Aufbau und Funktionsweise von Proteasom-Speichergranula entschlüsselt

Proteasomen bilden in Proteasom-Speichergranula parakristalline Strukturen.

Auf den Punkt gebracht

• Membranlose Organelle: Unter Nährstoffarmut lagern sich Proteasomen in Hefezellen zu Proteasom-Speichergranula zusammen. Die Anordnung von Molekülen innerhalb membranloser Organellen wie Proteasom-Speichergranula (PSGs) war bisher unbekannt.
• Kryoelektronenmikroskopie-Bilder: PSGs bestehen aus vollständig zusammengebauten Proteasomen. In einer parakristallinen Anordnung  –  teilweise kristallin, aber ohne Fernordnung –  werden sie in einem inaktiven Zustand gehalten.

Ein Proteasom ist ein großer Proteinkomplex, der als energiegetriebener „Proteinschredder“ arbeitet und bestimmte unnötige oder beschädigte Proteine beseitigt, indem er diese in kleine Stücke schneidet. Proteasomen kommen in allen höheren Organismen, sogenannten Eukaryoten vor, von Hefen bis zum Menschen, und sind für das Leben unverzichtbar. Proteasomen sind für die Wirksamkeit bestimmter Krebsmedikamente in Tumorzellen von entscheidender Bedeutung. Werden bestimmte Nährstoffe oder andere Energiequellen knapp, verändert sich sichtbar die Anordnung der Proteasomen innerhalb der Zellen.

Brenda Schulman, Direktorin am Max-Planck-Institut für Biochemie, erklärt: „Dank der ausgezeichneten Zusammenarbeit mit dem Pionier auf dem Gebiet der Kryo-Elektronentomographie, Wolfgang Baumeister, sind wir nun in der Lage, die Funktionsweise von Proteasom-Speichergranula auf molekularer Ebene zu verstehen. Wir wussten, dass sich viele molekulare Maschinen zu membranlosen Organellen zusammenlagern. Um jedoch ihre Funktion wirklich zu verstehen, mussten wir ihre molekulare Struktur sichtbar machen.“

Parakristalline Struktur von Proteasom-Speichergranula

Cordula Enenkel, Expertin auf dem Gebiet der PSG-Forschung, die mit dem Strukturbiologen Oliver Ernst an der Universität Toronto zusammenarbeitet, erklärt: „Wir haben Hefezellen einem Energiestress ausgeliefert, indem wir ihnen Glukose entzogen oder die mitochondrielle ATP Bildung blockiert haben. Dadurch wird ATP, die Energiequelle der Zellen, knapp. Infolgedessen haben die Zellen ihre energiehungrigen Proteasomen abgeschaltet, indem sie diese zu PSGs gruppieren. Ernst fügt hinzu: "Wir haben erkannt, dass es wichtig ist, die Strukturen von Proteasom-Speichergranula zu visualisieren, um diese faszinierende zelluläre Strategie zu verstehen, mit der Zellen metabolischen Stress bewältigen. Mit gereinigten Proteasomen war dies nicht möglich.“

Xiaomeng Tang, einer der Erstautoren der Studie vom Max-Planck-Institut für Biochemie und der Universitätsmedizin Göttingen, erklärt: „Wir haben die Proteasom-Speichergranula in ihrer natürlichen Umgebung untersucht – im Inneren von Zellen. Mithilfe der Kryo-Elektronentomographie konnten wir die PSGs mit einer Auflösung von 0,9 Nanometern sichtbar machen und so strukturelle Details erkennen, die zuvor nicht zu sehen waren. Wir haben zum ersten Mal gesehen, dass einzelne Proteasomen sich zu präzisen, sich wiederholenden Strukturen, ähnlich wie Kristalle anordnen. Das war sehr interessant, denn was wir gesehen haben, widerspricht der Erwartung, dass sich PSGs zu amorphen Clustern oder dynamischen Flüssigkeitströpfchen zusammenlagern würden.“

Das Team entschlüsselte den detaillierten Aufbau der PSGs. „Die Proteasomen bilden zunächst Trimere. Das bedeutet, dass sich drei Proteasomen miteinander verbinden. Dies wurde bisher noch nie in Zellen beobachtet“, fährt Tang fort. „Diese Trimere stapeln sich dann zu Fasern. Die Fasern verbinden sich zu Bündeln.“

Kryo-Elektronentomographie als Schlüsseltechnologie

Co-Erstautor Lu Qu vom Max-Planck-Institut für Biochemie und der Universitätsmedizin Göttingen erklärt: „Wir konnten diese Proteasom-Anordnung nur innerhalb von Zellen nachweisen, jedoch nicht in Reagenzgläsern. Als wir versucht haben, die PSGs zu isolieren, sind die Strukturen zerfallen. Deshalb war die Kryo-Elektronentomographie so wichtig.“

In Hefezellen bleiben die PSGs zwar vollständig zusammengesetzt, aber inaktiv, sodass sie bei Energiemangel keine Energie verbrauchen. Qu ergänzt: „Die Proteasomen werden durch spezifische Protein-Protein-Wechselwirkungen in einem inaktiven Zustand gehalten. Die daraus resultierende parakristalline Anordnung ist stabil, kann aber auch wieder aufgelöst werden. Dies ermöglicht eine schnelle Reaktivierung der vollständig aufgebauten Proteasomen, sobald eine Energiequelle verfügbar ist. Als die Forscher den ausgehungerten Zellen Glukose zuführten, kehrten die Proteasomen innerhalb einer Stunde zu ihren normal funktionierenden Strukturen zurück.“

Ein Paradigmenwechsel: eine membranlose Organelle, bei der die Struktur die Funktion bestimmt

Brenda Schulman erklärt: „Die Entdeckung liefert eine neue Sichtweise auf die Bildung membranloser Organellen durch Kontakte zwischen klar strukturierten Regionen molekularer Maschinen. Dadurch können PSGs Proteasomen – deren Herstellung energieaufwendig, aber unverzichtbar ist – sicher in Reserve lagern, sodass sie bei einer Verbesserung der zellulären Bedingungen sofort einsatzbereit sind.“ Wolfgang Baumeister fasst zusammen: „Die Untersuchung von Strukturen im Inneren von Zellen – wie hier Proteasomen in ihrer natürlichen Umgebung – verändert unser Verständnis der zellulären Organisation und Funktion grundlegend.“

Glossar:

ATP: Abkürzung für Adenosintriphosphat; ist die universelle Energiequelle für alle Zellen und stellt chemische Energie in hoher Konzentration bereit. Es besteht aus einem Mononukleotid, welches energiereiche Phosphatreste gebunden hat. Bei Bedarf wird ATP durch Abspaltung einer Phosphatgruppe in ADP umgewandelt und Energie freigesetzt.

parakristallin: eine molekulare Anordnung mit sich wiederholenden Struktureinheiten, die lokal organisierte Muster bilden, jedoch nicht die perfekte Regelmäßigkeit aufweisen, die sich über die gesamte Struktur erstreckt, die Kristalle definiert.

Proteasom: ist ein zylinderförmiger Proteinkomplex in eukaryotischen Zellen, der als zellulärer „Protein-Schredder“ fungiert. Mit Ubiquitin markiert, werden beschädigte oder überflüssige Proteine ins Proteasom geleitet und dort in kleine Peptide zerlegt. Die Proteasomfunktion verbraucht ATP.

Proteasom-Speichergranula: kurz PSG; sind spezialisierte Strukturen in der Zelle, die Proteasomen (die „Protein-Schredder“) vorübergehend speichern und lagern, wenn ATP knapp ist.

Proteinabbau: ist der Prozess, bei dem Zellen Proteine in kleinere Peptide und Aminosäuren zerlegen, um das Proteingleichgewicht aufrechtzuerhalten und die Zellfunktionen zu regulieren.

Stressgranula: sind membranlose Organellen, die bestimmte Proteine und RNAs enthalten und sich bei bestimmten Stresssituationen bilden, um die Proteinproduktion vorübergehend zu reduzieren und so die Zelle zu schützen, bis sich die Bedingungen verbessern.