Live-Übertragung aus der Zelle: Zusammenspiel zwischen Proteinfaltungshelfern und neugebildeten Proteinen

Proteinfaltungshelfer wie TRiC und Prefoldin (PFD) gewährleisten die korrekte Struktur zahlreicher essenzieller Proteine. Forschende am MPI für Biochemie untersuchten nun erstmals deren Wechselwirkungen mit neu synthetisierten Proteinen direkt in lebenden menschlichen Zellen. Mittels Einzelpartikelverfolgung wiesen sie nach, wie diese Helfer entstehende Proteinketten bereits während der Herstellung erkennen und gezielt in ihre funktionelle Form überführen. Dabei wurde die Existenz einer geschützten Faltungszone belegt.

Proteinfaltung und ihre Helfer

Proteine fungieren als molekulare Maschinen der Zelle und werden an den Ribosomen basierend auf der genetischen Erbinformation aus Aminosäureketten zusammengesetzt. Damit diese ihre spezifischen Aufgaben erfüllen können, müssen sie eine präzise dreidimensionale Struktur einnehmen. In menschlichen Zellen unterstützen spezialisierte Faltungshelfer, die sogenannten Chaperone (wie TRiC/PFD oder HSP40/70), diesen Prozess. Sie schirmen die empfindlichen Ketten von der hochkomplexen zellulären Umgebung ab und verhindern so ein fehlerhaftes Verklumpen.

Während die Mechanismen der Proteinfaltung seit Jahrzehnten im Fokus von F.-Ulrich Hartl stehen, betont Niko Dalheimer die Bedeutung der neuen Untersuchungsmethode.
„Viele Erkenntnisse zur Proteinfaltung wurden in Studien gewonnen, die im Reagenzglas durchgeführt wurden. Jedoch ist es praktisch unmöglich, die zelluläre Umgebung im Reagenzglas originalgetreu nachzuahmen. Anders als im Reagenzglas ist das Innere der Zelle eine hochkomplexe Umgebung, gefüllt mit zahlreichen unterschiedlichen Makromolekülen wie Proteinen, Nukleinsäuren und Lipiden. Um die Funktionsweise der Chaperone vollständig zu verstehen, haben wir uns in der aktuellen Studie die Proteinfaltungsdynamik von TRiC und PFD in ihrer natürlichen Umgebung, in intakten menschlichen Zellen, mithilfe der Einzelpartikelverfolgung am Fluoreszenzmikroskop angeschaut was erst durch jüngste Fortschritte bei der Fluoreszenzmarkierung in lebenden Zellen möglich wurde.“

TRiC und Prefoldin

Neu synthetisierte Proteine verlassen das Ribosom als wachsende Aminosäureketten und werden direkt vom Co-Chaperon Prefoldin (PFD) stabilisiert. Dieser Schutz verhindert ein vorzeitiges Verklumpen, bevor die Kette zur endgültigen Faltung an das tonnenförmige Chaperonin TRiC weitergereicht wird. Als struktureller Verwandter des bakteriellen GroEL/ES erfüllt TRiC eine essenzielle Funktion für die Aufrechterhaltung der zellulären Strukturen.

Rongqin Li erklärt: „TRiC hilft zwar nur 10% der Proteine in einer Zelle beim Falten, viele davon sind aber besonders wichtig für die Zelle, darunter auch Aktin und Tubulin, Bausteine des Zellskeletts. Deshalb haben wir uns diesen Teil der Proteinfaltung angeschaut. Dazu haben wir Aktin als Testprotein verwendet um die Faltungsdynamiken in den Zellen zu verstehen.“

Einzelpartikelverfolgung bringt Licht ins Dunkel

Um das dynamische Zusammenspiel der Proteinfaltung in Echtzeit zu visualisieren, wurden TRiC, Prefoldin und die entstehende Aktin-Kette mit fluoreszierenden Farben markiert. Ergänzend wurden Ribosomen und mRNAs als Stellvertreter für Chaperon-Substrate in Grün und Magenta gekennzeichnet. Eine räumliche Nähe der Komponenten von weniger als 500 Nanometern führte zu einer Farbüberlagerung. Diese erschien unter dem Mikroskop als weiße Punkte. Diese präzise Lokalisierung ermöglichte es, die Interaktionen der Chaperone auf molekularer Ebene zu verfolgen.

Niko Dalheimer erläutert: „In einer einzelnen Zelle befinden sich etwa zehn Millionen Ribosomen. Um einzelne Ribosomen und andere Komponenten unter dem Mikroskop verfolgen zu können, färbten wir nicht alle Ribosomen, sondern nur einen kleinen Teil. Mit der TIRF-Methode machten wir so die einzelnen Moleküle und ihre Wechselwirkungen mit Chaperonen sichtbar. Man kann sich das vorstellen wie einen Taucher in der pechschwarzen Tiefsee, der nur mit einer Taschenlampe wenige Stellen gleichzeitig beleuchtet: So kann er das verborgene, dynamische Leben um sich herum erahnen.“

Was wir gesehen haben

Die Beobachtungen der Wissenschaftler zeigten, dass TRiC und PFD wiederholt für jeweils etwa eine Sekunde Kontakt mit der neu entstehenden Aktin-Proteinkette aufnahmen. Dabei stabilisiert PFD die Kette kurzzeitig, bevor diese vom Ribosom freigesetzt und zur finalen Faltung an TRiC übergeben wird.

Rongqin Li ergänzt: „Interessanterweise war der Kontakt zwischen Aktin-Mutanten, also Proteinketten in die wir Fehler eingebaut haben, und TRiC deutlich länger. Im Gegensatz zum normalen Fall unterliegt das faltungsdefekte Aktin mehreren Faltungsversuchen durch das Chaperonin-System, bevor es schließlich zum Abbau weitergeleitet wird.“

F.-Ulrich Hartl fasst zusammen: „Seit Jahrzehnten haben wir und andere die chaperonvermittelte Proteinfaltung hauptsächlich durch biochemische Experimente untersucht, die entscheidend dafür waren, zu verstehen, wie dieser Prozess kontrolliert wird. Mit der Einzelpartikelverfolgung in lebenden Zellen, also in der komplexen Umgebung des Inneren einer intakten Zelle, können wir diese Konzepte nun direkt untersuchen. Dabei haben wir zentrale Erkenntnisse klassischer biochemischer Experimente bestätigt und gleichzeitig neue Erkenntnisse gewonnen – etwa den Nachweis der Existenz einer geschützten Faltungszone –, die mit Ensemble-basierten Messungen nicht möglich gewesen wären. Zum ersten Mal konnten diese Prozesse auf Einzelmolekül-Ebene in lebenden menschlichen Zellen visualisiert werden. Wie ich meinen Kolleginnen und Kollegen oft sage: ‚Seeing is believing‘.“

Quelle

Max-Planck-Institut für Biochemie (02/2026)