Wie Proteine in Zellmembranen eingebaut werden

Ein Forschungsteam der HHU Düsseldorf und der LMU München analysierte die bakteriellen Mechanismen beim Einbau von Membranproteinen. Membranproteine erfüllen essenzielle Funktionen als Transportkanäle oder Rezeptoren. Ihre spezifische dreidimensionale Faltung ist für diese Aufgaben zwingend notwendig. Die evolutionsbiologische Entwicklung und die genauen Translokationsprozesse vom Ribosom in die Lipiddoppelschicht waren bisher nur teilweise geklärt.

Dazu Prof. Dr. Alexej Kedrov: „Die Umgebung im Zellinnern unterscheidet sich deutlich von der Membran. Hydrophobe (wasserabstoßende) Proteine, die sich frei innerhalb der wässrigen Umgebung im Zellinnern befänden, würden mit anderen Molekülen aggregieren, bevor sie an ihren Einsatzort gelangen können. Deshalb sind für den Einbau spezielle Mechanismen notwendig.“

Strukturelle Translokation über das Sec-Translokon

Ribosomen transportieren die naszierenden Proteinketten zur Zielmembran. Dort vermitteln Insertasen wie das Sec-Translokon und das Helferprotein YidC die Einbettung. Erst in dieser hydrophoben Umgebung erfolgt die finale Proteinfaltung. Bisher galt die Insertion über das „Lateral gate“ des Translokons als exklusiver Pfad. Bildgebende Verfahren konnten dies jedoch nicht bestätigen. Neuere Studien an Eukaryoten zeigten stattdessen einen alternativen Weg über die Rückseite des Komplexes („back-of-Sec“). Die aktuelle Untersuchung fokussierte sich auf diesen Mechanismus bei Prokaryoten.

„Die kürzlich veröffentlichten Ergebnisse aus eukaryotischen Systemen haben unser Verständnis der Membranproteininsertion grundlegend verändert. Lange geglaubte Paradigmen wurden hinterfragt. Daraus ergab sich für uns die zentrale Frage: Ist dieser neu beschriebene Mechanismus ausschließlich in höheren Organismen zu finden oder existiert er auch in Bakterien?“

Kryoelektronenmikroskopische Strukturaufklärung

Für die Strukturanalytik wurden an der HHU spezifische Ribosomen-Membranproteinkomplexe präpariert. Die strukturelle Charakterisierung erfolgte anschließend mittels Kryoelektronenmikroskopie an der LMU München. Auf dieser Datengrundlage entschlüsselte das Düsseldorfer Team die molekulare Funktionsweise des Einbaus.
Max Busch: „Uns ist es erstmalig gelungen, den kompletten weg von neu entstehenden Membranproteinen in einem Ribosom bis in die Membran zu zeigen. Wir haben auch gesehen, wann die dreidimensional gefaltete Struktur der Proteine, die sogenannten Helices, ausgebildet werden.“

Evolutionäre Konservierung und zukünftige Forschungsansätze

Die Ergebnisse widerlegen die Annahme grundlegend unterschiedlicher Insertionsmechanismen zwischen Bakterien und höheren Zellen. Die molekularen Prozesse ähneln sich stark. „Wir können hieraus etwas über die evolutionäre Entwicklung dieser für die Zellen wichtigen Vorgänge lernen“, betont Kedrov und ergänzt: „Auch bei anderen Organismen wie Hefen ist ein ähnlicher Prozess bekannt. Wir können so zurückschließen, wann sich in der Vorgeschichte bei der Entwicklung der Lebewesen, dieser Prozess etabliert hat und während langer Zeit konserviert wurde.“

Zukünftige Untersuchungen der Arbeitsgruppe sollen die Membranprotein-Insertion noch detaillierter aufklären. Der Fokus liegt dabei auf der funktionellen Rolle weiterer beteiligter Proteine.

Quelle

Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (06/2026)