Protein-Aggregate in Hefezellen sind auflösbar

Zürich (pte013/03.10.2017/10:31) - Die Bildung von Protein-Aggregaten in Hefezellen ist umkehrbar, wie Wissenschaftler der ETH Zürich http://ethz.ch haben entdeckt haben. Diese Erkenntnis wirft auch ein neues Licht auf Krankheiten des Menschen, die auf solche Aggregate zurückgeführt werden, wie zum Beispiel Alzheimer, Parkinson oder die durch die "Ice Bucket Challenge" in der Öffentlichkeit bekannt gewordene Amyotrophe Lateralsklerose (ALS).

Enzym Cdc19 im Blick

Die ETH-Wissenschaftler zeigen in ihrer im Fachjournal "Nature Cell Biology" publizierten Studie auf, dass sich solche Proteinklumpen in Hefezellen bei Stressfaktoren wie Nahrungsentzug oder Hitze bilden. Nach überstandenem Stress können die Zellen die Aggregate wieder auflösen und die einzelnen Bestandteile rasch rezyklieren und im Zellstoffwechsel einsetzen. Als Beispiel für ein Protein, das bei Stress zusammenklumpt, wurde das Enzym Cdc19 identifiziert. Es stellt für die Zelle Energie bereit.

Wenn Cdc19 nun Glucose entzogen bekommt, zerfällt es in seine vier identischen Untereinheiten. Diese verändern dann ihre ursprüngliche Form und lagern sich mit weiteren Molekülen wie Ribonukleinsäuren oder anderen Enzymen in Aggregaten zusammen. Die Forscher nennen solche Klumpen Stresskörperchen. Einmal in ein solches Aggregat eingebunden, wird Cdc19 inaktiv, und es ist nicht mehr in der Lage, Brennstoff für die Zelle zu erzeugen. Während dieser Zeit kann die Zelle weder wachsen noch sich vermehren.

Der Vorgang ist aber umkehrbar. Sobald der Stress vorbei ist, lösen sich die Stresskörperchen auf, die vier Untereinheiten von Cdc19 lagern sich zusammen, sodass das Enzym seine Arbeit im Zuckerstoffwechsel wiederaufnehmen kann. Die Klumpen haben also einen klaren Zweck, sagt ETHZ-Forscher Matthias Peter: "Die Hefezelle benutzt Aggregate als eine Art Lagerstätte für wichtige Enzyme, damit diese in Stresssituationen nicht abgebaut und nach überlebtem Stress sofort reaktiviert werden können."

Bildung der Aggregate

Aggregate schützen Moleküle vor dem Abbau durch die zelleigene Entsorgungsmaschinerie. Müsste die Zelle diese Verbindungen nach jeder Stresssituation von neuem aufbauen, würde dies die Zelle viel Zeit und Energie kosten. Die Forscher fanden zudem heraus, wie und weshalb Cdc19 verklumpen kann. Sie identifizierten in der Struktur einer Cdc19-Untereinheite einen kurzen, ungefalteten und einfach aufgebauten Teilbereich.

Solche Bereiche sind sogenannte "Low Complexity Regions" (LCR). Sie kommen auch in anderen aggregatbildenden Proteinen weiterer Organismen vor, auch beim Menschen. "Die LCR werden durch den Zerfall des Enzymkomplexes exponiert und lösen die Aggregation aus", weiß Peter. "Für uns war es deshalb wichtig, eine solche Sequenz bei Cdc19 ausfindig zu machen. Das bestätigt einen allgemeinen Mechanismus." Bei der Hefe sei die LCR von Cdc19 im Normalzustand versteckt oder trage mehrere Phosphatgruppen, welche die LCR "handlungsunfähig" machen. Erst bei Ernährungsstress tritt die LCR hervor, und die Phosphatgruppen werden entfernt. Erst dann können sich Aggregate bilden.

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