SFB860 Press releases

18.08.2014
Motoren-Umbau bei voller Fahrt
Leben ist ein ausgesprochen energieintensives Unterfangen. Besonders höhere Lebewesen setzen riesige Mengen an Energie um. Möglich machen das die Mitochondrien, die Kraftwerke der Zellen. Vor allem in ihnen werden die energiereichen Verbindungen hergestellt, die viele biochemische Vorgänge antreiben. Wie wichtig die Mitochondrien sind, zeigt sich, wenn sie nicht funktionieren. Mitochondriale Störungen finden sich bei Krankheiten wie manchen Muskelschwächen oder Parkinson. Ein empfindlicher Punkt der Mitochondrien ist der Import von Proteinen: Die meisten Proteine, die notwendig sind, damit Mitochondrien funktionieren, müssen diese erst aus der Zelle importieren. Wie genau der Motor (PAM) mit seinem zentralen Bauteil Hsp70 funktioniert, der den Import dieser Proteine in das Mitochondrium antreibt, haben Göttinger Wissenschaftler jetzt herausgefunden. Demnach kann Hsp70 seine Arbeit nur verrichten, wenn sich seine Helfer-Proteine, sogenannte Co-Chaperone, ständig beim Unterstützen abwechseln. Die Forschungsergebnisse sind im Fachjournal Nature Communications erschienen.

Mitochondrien bilden in Zellen durch eine Doppelmembran abgetrennte Räume. In ihnen laufen wichtige biochemische Prozesse ab, etwa die Herstellung des universellen zellulären Energieträgers ATP. Diese Prozesse erfordern Massen unterschiedlicher Proteine. Den Großteil dieser Proteine stellen die Mitochondrien allerdings nicht selbst her. Stattdessen muss jedes Mitochondrium diese aufwendig durch die es umgebenden Membranen von außen in sein Inneres transportieren. Dabei nutzt es den Umstand, dass ein Protein nach seiner Herstellung zunächst in einer langen Kette von Aminosäuren vorliegt, dem Polypeptid. Nur in dieser Form passt es durch den engen Kanal, der die beiden Membranen des Mitochondriums überbrückt. Dort, im Inneren des Mitochondriums, sitzt am Ende dieses Kanals ein molekularer Motor, genannt PAM, der das Polypeptid wie ein Tau durch den Kanal hindurchzieht. Für den Antrieb von PAM sorgt das Protein Hsp70, das wie ein Motorkolben funktioniert. Wie jeder andere Motor ist auch PAM auf Treibstoff angewiesen, den er in Form von ATP erhält. Damit Hsp70 diese Energie nutzen kann, stehen ihm Helfer-Proteine, die Co-Chaperone, zur Seite. Wie genau die Helfer-Proteine Hsp70 bei dem molekularen Tauziehen unterstützen, haben nun Christian Schulz und Peter Rehling vom Institut für Zellbiochemie der Universitätsmedizin Göttingen und des Göttinger Zentrums für Molekulare Biowissenschaften im Sonderforschungsbereich (SFB) 860 entschlüsselt.

Ihre Experimente führten die Wissenschaftler in Hefezellen durch. Diese einzelligen Lebewesen ähneln in vielerlei Hinsicht menschlichen Zellen. Daher eignen sie sich besonders gut, um biochemische Prozesse, die auch für den Menschen relevant sind, zu untersuchen.

Wie die Forscher herausfanden, bleibt der PAM-Komplex mit seinem Antriebsaggregat Hsp70 nicht unverändert, während er das Polypeptid importiert. Im Gegenteil: „Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Import eines Polypeptids nur funktioniert, wenn sich die Helfer-Proteine, insbesondere das Co-Chaperon Pam18, ständig beim Unterstützen von Hsp70 abwechseln“, erklärt Peter Rehling, Direktor des Institutes für Zellbiochemie und assoziierter Wissenschaftler des Max-Planck-Institutes für biophysikalische Chemie. Solange Pam18 fester Bestandteil des Motors ist, steht Hsp70 zwar Energie zur Verfügung. „Hsp70 kann diese Energie aber nur nutzen, wenn Pam18 sich dynamisch immer wieder löst und ein anderes Pam18-Protein an den Motor bindet“, so der Wissenschaftler. „Man muss sich PAM wie einen besonderen Benzinmotor vorstellen, der zwar mit Kraftstoff versorgt ist, seine Arbeit aber nur leisten kann, wenn die Zündkerzen bei voller Fahrt nach jeder Zündung ausgetauscht werden.“ Mit ihren Ergebnissen lösten die Biochemiker außerdem ein weiteres Rätsel: Warum gibt es in Mitochondrien stets eine Menge Pam18-Moleküle, die nicht an PAM gebunden sind, wenn doch ihre einzige bekannte Funktion die Hilfestellung für Hsp70 ist? „Pam18 vollzieht einen Kreislauf, in dem es sich an Hsp70 anlagert und im nächsten Schritt wieder löst, es muss also zwangsläufig auch ungebunden vorliegen. Nur so ist Proteinimport in die Mitochondrien möglich“, erläutert Christian Schulz.

Die Erkenntnisse der Göttinger Wissenschaftler gelten womöglich nicht nur für Mitochondrien: Auch andere von Membranen umschlossene Zellbestandteile, die Proteine importieren, wie etwa die pflanzlichen Chloroplasten, nutzen dafür Hsp70 als Antrieb. Diese könnten ebenfalls auf dynamische Helfer angewiesen sein.

WEITERE INFORMATIONEN:
Universitätsmedizin Göttingen und Göttinger Zentrum für Molekulare Biowissenschaften
Institut für Zellbiochemie
Prof. Dr. Peter Rehling, Telefon: (0551) 39-5947
Humboldtallee 23, 37073 Göttingen
Peter.Rehling@medizin.uni-goettingen.de

ORIGINALPUBLIKATION:
Schulz, C. et al. Remodelling of the active presequence translocase drives motor-dependent mitochondrial protein translocation. Nat. Commun. 5:4349 doi: 10.1038/ncomms5349 (2014). [ Link ]

Erschienen als Pressemitteilung Nr. 191/2014 - 18.08.2014 http://www.uni-goettingen.de/de/3240.html?cid=4879

07.07.2014
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03.06.2010
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