Proteinfaltung und ihre Helfer
Proteine sind die molekularen Maschinen der Zelle. Sie werden anhand ihrer Bauanleitung, der Erbinformation an den Proteinfabriken, den Ribosomen hergestellt. Hier werden die Grundbausteine der Proteine, die Aminosäuren, zu langen Proteinketten zusammengesetzt. Wie Bauteile einer Maschine, müssen die einzelnen Proteine eine bestimmte dreidimensionale Struktur aufweisen um ihre Funktion richtig erfüllen zu können. Dazu werden die neu hergestellten Proteinketten in menschlichen Zellen, mithilfe verschiedener Proteinfaltungshelfer, sogenannte Chaperone, wie TRiC/PFD oder HSP40/70, in ihre stabile und funktionelle Form gefaltet. Die Proteinfaltungshelfer schirmen die Aminosäureketten, die je nach Aminosäure unterschiedliche chemische Eigenschaften aufweisen, von der zellulären Umgebung ab. Das verhindert das Verklumpen der neu hergestellten Proteinketten.
Mit den Mechanismen der Proteinfaltung beschäftigt sich seit Jahrzehnten F.-Ulrich Hartl, Direktor am Max-Planck-Institut für Biochemie. Niko Dalheimer, Wissenschaftler in seiner Abteilung und einer der beiden Erstautoren der aktuellen Studie erklärt: „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
Ein neu hergestelltes Protein wird als Aminosäurekette von den Ribosomen über einen Kanal nach und nach freigegeben. Damit das neu hergestellte Protein nicht verklumpt, werden die freien Aminosäurereste von Prefoldin (PFD) – ein Co-Chaperon von TRiC – im Empfang genommen und geschützt. Danach übergibt das Co-Chaperon das Protein für seine korrekte Faltung an das Chaperonin TRiC weiter.
TRiC ist ein tonnenförmiger Proteinfaltungshelfer und mit dem bakteriellen GroEL/ES verwandt. Rongqin Li, Wissenschaftlerin und Co-Erstautorin der Studie 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 Echtzeit-Zusammenspiel aller an der Proteinfaltung beteiligten Komponenten zu beobachten, kennzeichneten die Forschenden TRiC und Prefoldin sowie die neu entstehende Aktin-Kette als direktes Chaperon-Substrat, während Ribosomen und mRNAs als Stellvertreter für Chaperon-Substrate dienten – jeweils in Grün und Magenta in unterschiedlichen Versuchsaufbauten. Waren die jeweiligen zwei Komponenten in räumlicher Nähe, also weniger als 500 Nanometer voneinander entfernt, haben sich die Farben überlagert und waren unter dem Mikroskop als weiße Punkte sichtbar. 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 Wissenschaftler beobachteten, dass TRiC und PFD mit der aus dem Ribosom heraustretenden, neu hergestellten Aktin-Proteinkette wiederholt für etwa eine Sekunde Kontakt aufnahmen. PFD hält die entstehende Kette kurz, bevor Aktin vom Ribosom freigesetzt wird, und übergibt sie anschließend an das Chaperonin TRiC, das die Faltung abschließt. 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‘.“
Max-Planck-Institut für Biochemie
Originalpublikation:
Li, R., Dalheimer, N., Müller, M.B.D. et al. Single-molecule dynamics of the TRiC chaperonin system in vivo. Nature (2026). doi.org/10.1038/s41586-025-10073-3
