Protein-Qualitätskontrolle in der Zelle: Abfallentsorgung effizienter als erwartet

Ohne Proteine geht in unserem Körper nichts, denn sie erledigen dort unzählige lebenswichtige Aufgaben. Bei ihrer Herstellung unterlaufen den Zellen jedoch häufig Fehler: Etwa ein Drittel der neu synthetisierten Proteine ist defekt. Wenn diese schadhaften Moleküle nicht erkannt und beseitigt werden, können schwere Krankheiten entstehen. Ein Team unter Leitung von Prof. Thomas Sommer vom MDC hat nun neue Einblicke in den Prozess der Protein-Qualitätskontrolle in der Zelle gewonnen. Die Forscher haben Ihre Ergebnisse kürzlich im Fachmagazin Molecular Cell vorgestellt.

Proteine sind im Organismus für nahezu alles zuständig: Sie sind Baustoff in den Zellen, transportieren den Sauerstoff im Blut, arbeiten in den Muskeln, kontrollieren den Stoffwechsel und vieles mehr. Kurzum, sie halten den Körper am Laufen. Hergestellt wird diese Vielfalt an Proteinen an kleinen molekularen Maschinen, den Ribosomen, von denen einige auf der Oberfläche einer Zellorganelle, dem Endoplasmatischen Retikulum sitzen. Dabei unterlaufen den Zellen häufig Fehler: Viele Proteine werden falsch gefaltet und können so ihre Funktion nicht ausüben. Diese müssen dann entsorgt werden. Hinzu kommen intakte Proteine, die ihre Aufgabe erfüllt haben und von der Zelle nicht mehr gebraucht werden.

Eine funktionierende Müllabfuhr ist für die Zelle lebensnotwendig

„Wenn diese Proteine nicht entsorgt werden, können sie sich in den Zellen ansammeln und dort schweren Schaden anrichten“, sagt Annika Weber, Doktorandin in der von Prof. Thomas Sommer geleiteten Arbeitsgruppe „Intrazelluläre Proteolyse“ am MDC und Erstautorin der aktuellen Studie in Molecular Cell. Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson oder Huntington können die Folge sein. Für den Organismus ist es daher lebensnotwendig, dass diese Proteine durch eine zelluläre Müllabfuhr abtransportiert und im Proteasom, dem Schredder der Zelle, in ihre Bestandteile zerlegt werden.

In den letzten Jahren haben Forscher viele Details dieses äußerst komplexen Prozesses der Protein-Entsorgung klären können. Einige Fragen bleiben jedoch noch offen. Dazu gehört die Frage, wie angesichts der großen Vielfalt der Proteine in der Zelle diejenigen, die beseitigt werden müssen, überhaupt erkannt und für die Abfallentsorgung gekennzeichnet werden können.

Ubiquitin-Moleküle (orange, pink) werden als Kette an ein Protein (blau) angehängt. Bild: CC-BY-4.0, David Goodsell/RCSB PDB.

Ligase-Enzyme markieren den Abfall in der Zelle

Bekannt ist, dass bei der Protein-Qualitätskontrolle bestimmte Enzyme, die Ligasen, eine zentrale Rolle spielen. Dazu gehört die Ligase Doa10. Sie sitzt in der Membran des Endoplasmatischen Retikulums und des Zellkerns und kann die defekten Proteine erkennen. Sie bindet diese sowie weitere Enzyme und bildet so einen Komplex, der die am Signalweg für den Abbau beteiligten Akteure in räumliche Nähe bringt. Dann erfolgt ein entscheidender Schritt: An die fehlerhaften Proteine wird ein Molekül namens Ubiquitin, ein sehr kleines Protein, gehängt. Daran werden weitere Ubiquitin-Moleküle geknüpft, bis eine homogene Kette entsteht. Diese ist eine Art Etikett, das signalisiert: „Das gehört in den Müll“. Erst wenn ein Protein derart gekennzeichnet ist, wird es zum Proteasom gebracht und beseitigt.

„Wir wollten nun mehr darüber erfahren, wie diese Ubiquitinkette gebildet wird“, sagt Annika Weber. An diesem Vorgang ist ein Enzym namens Ubc7 beteiligt. „Lange galt das Dogma, dass nur dieses eine Enzym notwendig ist, um beide Funktionen auszuüben: die Bindung des ersten Ubiquitins an das Protein und die Verknüpfung mit weiteren Ubiquitin-Molekülen zu einer Kette“, erläutert die Biologin.

Auf Spurensuche in Hefezellen

Es gab aber auch Hinweise darauf, dass ein zweites Enzym namens Ubc6 beteiligt ist. Annika Weber und Kollegen haben daher in Hefezellen dessen Bedeutung untersucht. Das System der Protein-Müllabfuhr ist so zentral für den Organismus, dass es im Laufe der Evolution konserviert wurde. Es ist daher bei fast allen Lebewesen gleich – von der Hefezelle bis zum Menschen.

Die Forscher veränderten die Hefezellen genetisch so, dass sie entweder Ubc6 oder Ubc7 nicht herstellen konnten. Dann beobachteten sie die Abbauraten für bestimmte Proteine. Zudem isolierten sie die beiden Enzyme aus den Zellen und untersuchten mit biochemischen Methoden, ob es Unterschiede bei der Verknüpfung der Ubiquitin-Molküle gab. Dabei erhielten sie entscheidende Unterstützung von der MDC-Technologieplattform für Massenspektrometrie, mit deren Hilfe die Art der Verknüpfung des Ubiquitins mit den Proteinen analysiert werden konnte.

Verschiedene Enzyme teilen sich die Arbeit

Wie sich herausstellte, ist tatsächlich auch Ubc6 an der Kennzeichnung für die Abfallentsorgung maßgeblich beteiligt. Es ist das Enzym, das die Verknüpfung des ersten Ubiquitins vollzieht, das also sozusagen das Etikett an das defekte Protein hängt. Ubc7 knüpft dann weitere Ubiquitin-Moleküle daran. Das ist eine wichtige Erkenntnis: Die beiden Enzyme teilen sich die Arbeit und sind so vermutlich effektiver. Während Ubc 7 auf die Bildung der homogenen Ubiquitin-Kette spezialisiert ist, kann Ubc6 die Initiation der Kette an den verschiedenen Proteinen vollziehen.

Bei der Initiation wird ein Ubiquitin an einen exponierten Aminosäurerest auf dem Zielprotein verknüpft. Für die zum Abbau des Proteins notwendige Kettenverlängerung wird ein weiteres Enzym (Ubc7) benötigt.

Das belegt eine weitere Beobachtung: Proteine sind aus Aminosäuren aufgebaut, und bislang nahm man an, dass die Verknüpfung mit dem Ubiquitin nur an der Aminosäure Lysin des fehlerhaften Proteins erfolgen kann. Die Forscher vom MDC konnten nun jedoch zeigen, dass Ubc6 dazu auch andere Aminosäuren wie Serin verwenden kann. „Dadurch wird der Signalweg robuster" erläutert Annika Weber. „Für den Organismus ist es essenziell, dass wirklich alle defekten Proteine abgebaut werden, und so können unter den vielen verschiedenen Proteinen auch solche markiert werden, die kein Lysin nach außen hin präsentieren.“

Die Forschenden konnten außerdem zeigen, dass das dem Ubc6 entsprechende Enzym beim Menschen namens UBE2J2 offenbar die gleiche Funktion hat. Dazu haben sie das Enzym aus menschlichen Zellen isoliert und seine Aktivität bei der Bildung der Ubiquitinketten in vitro untersucht.

Als nächstes will die Forschungsgruppe von Thomas Sommer die Eigenschaften von Ubc6 genauer untersuchen. Denn die aktuelle Studie hat erstmals gezeigt, dass das Enzym eine entscheidende Rolle bei der effizienten Kennzeichnung defekter Proteine spielt. Wie das dem Ubc6 genau auf molekularer Ebene gelingt, kann somit zu einem besseren Verständnis dieses zentralen Prozesses der Protein-Entsorgung in der Zelle beitragen.


Annika Weber1, Itamar Cohen2, Oliver Popp3, Gunnar Dittmar3, Yuval Reiss2, Thomas Sommer1,4, Tommer Ravid2, Ernst Jarosch1 (2016): Sequential Poly-ubiquitylation by Specialized Conjugating Enzymes Expands the Versatility of a Quality Control Ubiquitin Ligase.“ Molecular Cell 63. DOI: 10.1016/j.molcel.2016.07.020

1Intrazelluläre Proteolyse, Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin, Berlin; 2Department of Biological Chemistry, The Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem, Israel; 3Mass Spectrometric Core Facility, Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin, Berlin; 4Institut für Biologie, Humboldt Universität zu Berlin

Annika Weber und Itamar Cohen haben gleichermaßen zur Arbeit beigetragen.

Artikelbild: Fluoreszierende Hefezellen. Im Experiment dient die Hefe als Modellorganismus. Bild: CC-BY-3.0, CSIRO.