Tempokontrolle bei der mitochondrialen Proteinproduktion entdeckt

Mitochondrien sind die winzigen Kraftwerke unserer Zellen, die vor allem in energiehungrigen Geweben wie Muskeln, Herz und Nerven die lebenswichtige Energieversorgung über die mitochondriale Atmungskette regeln. Funktionsstörungen dieser zentralen Stoffwechselorgane können zu neuromuskulären Erkrankungen wie Muskelschwund führen.

Menschliche Mitochondrien besitzen zwei Membranen sowie ein eigenes Erbgut mit den Bauplänen für 13 essenzielle Proteine der Atmungskette. Hergestellt werden diese von zelleigenen Proteinfabriken, den Mitoribosomen, die vor einer komplexen logistischen Herausforderung stehen. Die wachsende Proteinkette muss bereits während der Synthese korrekt gefaltet und direkt in die innere Mitochondrienmembran eingebaut werden. Wie diese drei Prozesse – Herstellung, Faltung und Einbau – koordiniert und gesteuert werden, war bisher unklar.

Pausen nach Choreografie: Wie Mitoribosomen den Membraneinbau steuern

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dr. Peter Rehling (Universitätsmedizin Göttingen) und Dr. Niels Fischer (MPI für Multidisziplinäre Naturwissenschaften) hat nachgewiesen, dass Mitoribosomen Membranproteine nicht linear, sondern nach einer zeitlich exakt abgestimmten Choreografie produzieren. „Wir konnten zeigen, wann das Ribosom pausiert“, erklärt Dr. Thomas Schöndorf. In Kooperation mit Dr. Ilgin Kotan und Dr. Günter Kramer von der Universität Heidelberg nutzten die Forschenden das sogenannte Ribosomen-Profiling, um die exakten Stoppstellen während der Proteinherstellung zu identifizieren. Ergänzend dazu fror Dr. Valentyn Petrychenko aufgereinigte Mitoribosomen bei unter minus 180 Grad Celsius schock. Er machte mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie sichtbar, wie die Mitoribosomen während dieser Pausen mit der Membran-Einbaumaschinerie interagieren.

Neuer Regulationsmechanismus bei der Proteinherstellung

Wie die Forschenden herausfanden, wird die Geschwindigkeit der Ribosomen maßgeblich durch die Ausrichtung des Proteins beim Einbau in die Membran kontrolliert. Je nachdem, ob ein bestimmter Proteinabschnitt in das Innere der Mitochondrien oder in den Zwischenraum der Membranen ragt, legt die Maschinerie unterschiedlich lange Pausen ein, um das Synthesetempo optimal an die nachfolgenden Schritte anzupassen.

„Das Ribosom, die wachsende Proteinkette und die molekulare Maschinerie, die das gerade hergestellte Protein in die Mitochondrienmembran einbaut, arbeiten koordiniert zusammen. Sie verlangsamen die Proteinproduktion zu bestimmten Zeitpunkten, um die Faltung und den Einbau in die Membran zu unterstützen – wichtige frühe Schritte in der Bildung der Atmungskette, die essenziell für die spätere Energieversorgung lebender Zellen sind“, sagt Dr. Fischer. Prof. Rehling ergänzt: „Das bedeutet, dass der Einbau in die Membran und der Aufbau der Atmungskette nicht einfach auf die Herstellung des Proteins folgen, sondern auf diese zurückwirken und zu ihrer Steuerung beitragen. Dies ist ein wichtiger neuer Regulationsmechanismus, der uns nun ein besseres Verständnis für die Ursachen neuromuskulärer Erkrankungen gibt.“

Quelle

Universitätsmedizin Göttingen – Georg-August-Universität (05/2026)