Eine ganz besondere Proteinmaschinerie

Atomare Strukturaufklärung parasitärer Ribosome durch Kryo-Elektronenmikroskopie

  • Struktur des Ribosoms aus Mitochondrien des Schlafkrankheitserregers Trypanosoma brucei. Gelb: Proteine der grossen Untereinheit. Orange: RNA-Moleküle der kleinen Untereinheit. Dunkelblau: Proteine der grossen Grosse Untereinheit; hellblau: RNA-Moleküle der grossen Untereinheit. Bild: Gruppe Prof. Nenad Ban / ETH Zürich.Struktur des Ribosoms aus Mitochondrien des Schlafkrankheitserregers Trypanosoma brucei. Gelb: Proteine der grossen Untereinheit. Orange: RNA-Moleküle der kleinen Untereinheit. Dunkelblau: Proteine der grossen Grosse Untereinheit; hellblau: RNA-Moleküle der grossen Untereinheit. Bild: Gruppe Prof. Nenad Ban / ETH Zürich.

Der Erreger der Schlafkrankheit enthält eine aussergewöhnliche Maschinerie für die Herstellung von Proteinen. Eine Gruppe von Wissenschaftlern der ETH Zürich und der Universität Bern hat nun erstmals deren Struktur aufgeklärt.

Ribosomen gehören zu den wichtigsten und im Verlauf der Evolution kaum veränderten molekularen Maschinen der Zelle. Ihre Funktion ist es, Abschriften von Genen, also Baupläne für Proteine, abzulesen und in Proteine zu „übersetzen“. Forschungsgruppen der ETH Zürich und der Universität Bern haben nun, mit finanzieller Unterstützung durch den Schweizerischen Nationalfonds, mittels Kryo-Elektronenmikroskopie die detaillierte atomare Struktur von ganz speziellen Ribosomen aufgeklärt, die in den Mitochondrien von Trypanosoma brucei vorkommen, einem parasitären Einzeller, der die Schlafkrankheit verursacht. Ihre Erkenntnisse erschienen soeben in der Fachzeitschrift Science.

Mitochondrien sind Organellen, die in allen eukaryotischen Zellen zu finden sind. Sie sind die Kraftwerke der Zelle und enthalten eigene Ribosomen, sogenannte „Mitoribosomen“. Diese stellen einige wenige, aber für diese Kraftwerke essentielle Proteine her. Mitoribosomen der Trypanosomen haben die gleichen Grundfunktionen wie die Ribosomen anderer Organismen, zum Beispiel denen des Menschen. Sie sind jedoch spezialisiert für die Biologie der Parasiten, und ihre Struktur sieht völlig unterschiedlich aus.

Proteine in der Mehrzahl

Alle Ribosomen bestehen aus zwei Typen von Bausteinen: Ribonukleinsäuren (RNA) und Proteinen. „Interessanterweise sind die Mitoribosomen von Trypanosomen wesentlich größer als alle anderen Ribosomen einschliesslich der menschlichen Ribosomen“, sagt ETH-Professor Nenad Ban. Die Mitoribosomen von Trypanosomen bestehen zudem vorwiegend aus Proteinen, während alle anderen Ribosomen einen sehr hohen RNA-Anteil aufweisen. Folglich haben in den trypanosomalen Mitoribosomen die Proteine die strukturelle Funktion der RNA übernommen.

Folgende Analogie mag hier hilfreich sein: ein kleines Holzhaus sieht nicht gleich aus wie ein großer Betonbau, trotzdem brauchen beide ein Dach, Fenster, eine Treppe und so weiter. „Vergleicht man die Architektur der vor allem aus Proteinen bestehenden trypanosomalen Mitoribosomen mit der RNA-basierten Ribosomenarchitektur anderer Organismen, kann man die grundlegendsten funktionellen Elemente und Bausteine definieren, die von allen Ribosomen geteilt werden“, erklärt der Forscher weiter.

Wichtiger Fortschritt für Therapie der Schlafkrankheit

Trypanosomen nicht nur ein wichtiges Modellsystem für die Grundlagenforschung, sondern als Erreger der unbehandelt tödlich verlaufenden Schlafkrankheit auch von klinischer Bedeutung. Die Mitoribosomen sind für das Überleben der Trypanosomen absolut notwendig. Da sie ganz anders aufgebaut sind als die Mitoribosomen des Menschen, könnten sie sich als Angriffspunkt für eine Therapie der Schlafkrankheit eignen. Ein Vergleich der Strukturen der Mitoribosomen von Trypanosomen und Menschen könnte es ermöglichen, Substanzen zu finden, die gezielt Mitoribosomen des Einzellers hemmen und so als Medikament dienen.

 

Originalveröffentlichung:

David J. F. Ramrath, Moritz Niemann, Marc Leibundgut, Philipp Bieri, Céline Prange, Elke K. Horn, Alexander Leitner, Daniel Boehringer, André Schneider, Nenad Ban: Evolutionary shift towards protein-based architecture in trypanosomal mitochondrial ribosomes, Science (2018); DOI: 10.1126/science.aau7735.

Weitere Informationen:

ETH Zürich

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