Die molekulare Sicht auf die Protein-Retrotranslokation

Qualitätskontrolle in eukaryotischen Zellen

27. April 2020

Forscher der Harvard Medical School (USA), der New York University School of Medicine (USA) und des Max-Planck-Instituts für Biophysik entwickelten auf der Grundlage von Daten aus der Kryo-Elektronenmikroskopie, biochemischen Experimenten und molekularen Simulationen ein Modell, wie fehlgefaltete Proteine vom Hrd1-Ubiquitin-Ligasekomplex als Teil des ER-assoziierten Proteinabbaus (ERAD) erkannt und retrotranslokalisiert werden.

Momentaufnahme der molekularen Simulation der Membrankomponenten des Hrd1-Ubiquitin-Ligase-Komplexes Hrd1 (pink) und Der1 (blau) in einer Lipiddoppelschicht.

Wenn neu hergestellte Proteine ​​im endoplasmatischen Retikulum (ER) falsch gefaltet wurden, müssen sie abgebaut werden, um die Homöostase aufrechtzuerhalten. Dazu müssen sie in das Cytosol zurückverlagert und polyubiquitiniert werden, um letztendlich vom Proteasom abgebaut zu werden. Dieser Weg wird als ER-assoziierter Proteinabbau, ERAD (ER-associated protein degradation), bezeichnet. Die Details dieses Prozesses sind weitgehend unklar und eine wichtige ungelöste Frage ist, wie fehlgefaltete Peptide die ER-Membran passieren können, die normalerweise eine Barriere für Proteine ​​und andere Moleküle darstellt.

Um diesen Prozess zu beleuchten, gelang es einem Forschungsteam der Harvard University und der New York University School of Medicine unter der Leitung von Tom Rapoport, die Struktur des aktiven Hrd1-Komplexes aus S. cerevisiae mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie zu lösen. Dann stellten sie die funktionelle Bedeutung dieses Komplexes sowohl mit biochemischen als auch mit in vivo-Experimenten fest. Marc Siggel vom Max-Planck-Institut für Biophysik, Abteilung Theoretische Biophysik unter der Leitung von Gerhard Hummer, untersuchte diese Frage durch molekulare Simulationen, um Einblicke in die Dynamik dieses Komplexes und seiner membranbasierten Komponenten Hrd1 und Der1 auf atomistischer Ebene zu erhalten. Computersimulationen ergaben Details über das Verhalten des Komplexes in seiner Membranumgebung, die mit experimentellen Methoden nur schwer zu erhalten sind.

Mit diesen kombinierten Daten wurde ein molekulares Modell des Translokationsmechanismus erstellt: Das Substrat kann durch zwei durch Hrd1 und Der1 gebildete Halbkanäle bewegt werden, die in einem verdünnten und verzerrten Membranbereich nebeneinander liegen. Diese veränderte Membranumgebung erleichtert die Bewegung von hydrophilen Substraten über die Membran und könnte ein allgemeines Konzept sein, das von vielen Protein-Translokationssystemen verwendet wird.

Fehlgefaltete Proteine ​​können nicht an ihren Bestimmungsort gelangen, werden aus dem ER extrahiert und an die proteasomale Abbau-Maschinerie im Zytoplasma abgegeben. Diese Arbeit liefert einen wichtigen Eckpfeiler für das Verständnis des Abbauweges auf molekularer Ebene und der Funktionsweise dieser komplexen makromolekularen Maschinerie.

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