Zellen mit hohem Energieverbrauch wie Muskel-, Herz- oder Nervenzellen besitzen besonders viele davon: Winzige molekulare Kraftwerke, auch Mitochondrien genannt. Diese übernehmen die lebenswichtige Energieversorgung in lebenden Zellen. Über die mitochondriale Atmungskette – eine Reihe großer Proteinkomplexe, die in die innere Mitochondrienmembran eingebettet sind –, wandeln sie Nährstoffe in Energie um. Mitochondrien spielen somit eine zentrale Rolle im Stoffwechsel. Funktionsstörungen können das Herz- und Nervensystem schädigen oder zu neuromuskulären Erkrankungen wie Muskelschwund führen.
Menschliche Mitochondrien sind von zwei Membranen umgeben und besitzen ein eigenes Erbgut. Dieses enthält die Baupläne für 13 wichtige Proteine der Atmungskette. Ihre Herstellung erfolgt mit eigenen Proteinfabriken innerhalb der Mitochondrien, sogenannten Mitoribosomen. Diese stellen anhand der im Erbgut gespeicherten genetischen Baupläne die Proteine her. Dabei stehen Mitoribosomen allerdings vor einer besonderen Herausforderung: Denn schon während der Herstellung eines Atmungsketten-Proteins wird die wachsende Proteinkette in ihre funktionstüchtige dreidimensionale Form gefaltet und in die innere Mitochondrienmembran eingebaut. Wie diese drei Vorgänge – Herstellung, Faltung und Einbau – koordiniert und gesteuert werden, war bisher unklar.
Exakte Choreografie der Abläufe
Ein Team unter der Leitung von Prof. Dr. Peter Rehling, Direktor des Instituts für Zellbiochemie der Universitätsmedizin Göttingen (UMG), und Dr. Niels Fischer, Projektgruppenleiter am MPI für Multidisziplinäre Naturwissenschaften, hat nun gezeigt, dass Mitoribosomen Membranproteine nicht mit konstanter Geschwindigkeit herstellen, sondern nach einer zeitlich exakt abgestimmten Choreografie. „Wir konnten zeigen, wann das Ribosom pausiert“, erklärt Dr. Thomas Schöndorf, Erstautor und Postdoktorand in Prof. Rehlings Team.
In Zusammenarbeit mit Dr. Ilgin Kotan und Dr. Günter Kramer von der Universität Heidelberg nutzten die Forschenden die Methode des sogenannten Ribosomen-Profilings – eine Methode, mit der sich genau bestimmen lässt, zu welchem Zeitpunkt eine Zelle welche Proteine herstellt. Sie konnten so bestimmen, an welchen Stellen die Mitoribosomen während der Proteinherstellung stoppen. Ergänzend dazu nutzten die Forschenden aufgereinigte Mitoribosomen, die bei weniger als minus 180 Grad Celsius schockgefroren wurden. Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie konnte Dr. Valentyn Petrychenko, Co-Erstautor und Postdoktorand in Dr. Fischers Team, so sichtbar machen, wie Mitoribosomen während der Pausen und während der Proteinherstellung mit der Membran-Einbaumaschinerie zusammenarbeiten.
Neuer Regulationsmechanismus bei der Proteinherstellung
Doch was kontrolliert die Geschwindigkeit der Ribosomen? Wie die Forschenden herausfanden, ist die Ausrichtung des Proteins beim Einbau in die Membran für das Tempo entscheidend. Je nachdem, ob ein bestimmter Teil des Proteins ins Innere der Mitochondrien oder in den Zwischenraum zwischen der inneren und äußeren Mitochondrienmembran ragt, erfolgen unterschiedlich lange Pausen bei seiner Herstellung. Dadurch wird die Geschwindigkeit der Proteinsynthese an die nachfolgenden Schritte angepasst.
„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.“
Universitätsmedizin Göttingen und Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften
Originalpublikation:
Thomas Schöndorf, Valentyn Petrychenko, Ilgin Kotan, Drishan Dahal, Natalia Napieraj, Luis Daniel Cruz-Zaragoza, Cong Wang, Oliver Urbach, Tanja Gall, Sven Dennerlein, Günter Kramer, Niels Fischer and Peter Rehling. Membrane insertion of mitochondrial encoded proteins regulates ribosome decoding speed. Nature Structural & Molecular Biology (2026). DOI: https://doi.org/10.1038/s41594-026-01803-w
