Die Zellstruktur Nukleolus (Kernkörperchen) im Zellkern ist als Ort für die Ribosomenproduktion bekannt. Dabei erfolgt dort auch die Qualitätskontrolle für Proteine.
Die Zellstruktur Nukleolus, das Kernkörperchen, ist unter dem Lichtmikroskop gut sichtbar. Die Struktur im Zellkern ist für die Ribosomenproduktion bekannt. Forscher am Max-Planck-Institut für Biochemie zeigen in einer aktuellen Studie, dass der Kernkörperchen Nukleolus auch ein Ort der Qualitätskontrolle für Proteine ist.
In gestressten Zellen neigen die Proteine zur Fehlfaltung und Zusammenlagerung. Damit es nicht zur Verklumpung bestimmter Proteine im Zellkern kommt, werden diese vorübergehend in den Nukleolus transportiert. Die dortigen speziellen Bedingungen verhindern gefährliche Proteinzusammenlagerungen.
Gern möchte man glauben, dass die grundlegenden zellulären Prozesse schon entschlüsselt sind und sich die Forschung nur noch den Details zu widmen braucht. Doch auch heute entdeckt man aufgrund der Kombination moderner Methoden neue, grundlegende Prinzipien.
Der Nukleolus, das Kernkörperchen im Zellkern
Der Nukleolus wurde in den 1830iger Jahren das erste Mal beschrieben. Weiter entdeckten Forscher in den 1960iger Jahren, dass hier die Ribosomen, die Proteinfabriken, hergestellt werden. Seit längerem weiss man auch, dass Proteinfaltungshelfer, sogenannte Chaperone, sich unter bestimmten Umständen in den Nukleolus bewegen. Man vermutete, dass dies im Zusammenhang mit der Proteinherstellung steht. Jetzt zeigen Forscher vom Max-Planck-Institut (MPI) für Biochemie, dass in den Nukleolus geleitete Chaperone an Stress-sensitive Proteine gebunden sind.
Als Pionier der Chaperonforschung hat F.-Ulrich Hartl mit seinem Team entdeckt, dass Chaperone entscheidend für die korrekte Proteinfaltung sind und eine zentrale Aufgabe in der Qualitätskontrolle von Proteinen übernehmen. Wenn diese Prozesse nicht gut funktionieren, können sich fehlgefaltete Proteine zusammenlagern und verklumpen. Solche Ablagerungen werden oft in neurodegenerativen Krankheiten, wie Alzheimer, Parkinson oder Huntington, beobachtet.
Luciferase-Protein und Chaperone
Mark Hipp, Leiter der Studie und Mitarbeiter in der Abteilung von F.-Ulrich Hartl: „Seit vielen Jahren nutzen wir Luciferase als Modellprotein um Mechanismen der Proteinfaltung zu untersuchen.” Gebunden an ein fluoreszierendes Protein können die Wissenschaftler unter dem Mikroskop sehen, ob das Protein korrekt gefaltet ist, oder ob fehlgefaltete Proteine zusammengelagert vorliegen. „Wir konnten zeigen, dass in gestressten Zellen, verursacht durch Erhitzen auf 43°C, das Luciferase-Protein zusammen mit Chaperonen in den Nukleolus transportiert wird.”
Dabei halfen hochauflösende Fluoreszenzmethoden, um die mechanistischen Details aufzuklären. So zeigte sich, dass das Luciferase-Protein sich im Nukleolus anders verhielt als im Rest der Zelle. „Im Nukleolus konnte das zur Verklumpung neigende Protein in einer Art flüssigen Zustand gehalten werden”, erklärt Frédéric Frottin, Erstautor der Studie. Dies ist aufgrund der speziellen Umgebungsbedingungen möglich, die für den Nukleolus bekannt sind.
„Zur Verklumpung neigende Proteine werden anscheinend in der Zeit, in der die Zelle gestresst ist, in einer weniger gefährlichen Form zwischengelagert. Das schädigt die Zelle nicht. Sobald die Zelle Zeit hat sich zu erholen, werden die gefährdeten Proteine wieder aus dem Nukleolus entlassen”, so Frottin weiter. Die Zelle hat jetzt wieder die Kapazitäten, weitere Mechanismen zu aktivieren, die eine Reparatur des Proteins oder seinen Abbau ermöglichen.
Die Forscher konnten auch zeigen, dass der Schutzmechanismus versagt, wenn der Zellstress zu lange andauert. „Es ist ein neuer Mechanismus um die Unversehrtheit der Zelle zu ermöglichen” fasst Mark Hipp zusammen. Diese Unversehrtheit ist letztendlich unentbehrlich um Alterungsprozesse und das Entstehen von Krankheiten zu verhindern.
Literatur:
F. Frottin, F. Schueder, S. Tiwary, R. Gupta, R. Körner, T. Schlichthaerle, J. Cox, R. Jungmann, F.U. Hartl, M.S. Hipp. The nucleolus functions as a phase-separated protein quality control compartment. Science. Juli 2019
DOI: https://doi.org/10.1126/science.aaw9157
Quelle: Zelluläre Biochemie, Max-Planck-Institut für Biochemie. www.biochem.mpg.de
