In die Zellmembran ist eine Vielzahl von Proteinen eingebaut, die viele verschiedene Funktionen übernehmen. Manche dienen als Transportkanäle, um Stoffe gezielt in die Zelle zu leiten oder Produkte der Zelle aus ihr auszuschleusen. Andere sind Rezeptoren, die Steuersignale registrieren und daraufhin Prozesse in der Zelle auslösen. Dabei sind diese Proteine komplex dreidimensional gefaltet; die spezifische Form ist für die Proteinfunktion zwingend notwendig.
Es ist für die Forschung vielfach noch eine offene Frage, wie die Proteine, die die sogenannten Ribosomen – die „Fabriken“ in der Zelle – innerhalb des Zellinnern herstellen, in der richtigen Form an ihren Platz innerhalb der Membran gelangen und wann sich während der Evolution die Prozesse etablierten. Dazu Prof. Dr. Alexej Kedrov, Leiter der Arbeitsgruppe Synthetische Membransysteme an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU): „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.“
Die neuen Proteine werden von den Ribosomen bis zur Membran transportiert. Im anschließenden Schritt werden sie von speziellen Enzymen, den „Insertasen“, in die Membran eingebettet – hierzu gehören das sogenannte Sec-Translokon und Helferproteine wie YidC. Erst dort nehmen sie ihre endgültige Faltung an. Bisher wurde angenommen, dass der Einbau (die „Insertion“) exklusiv über eine Öffnung im Translokon, dem „Lateral gate“ geschieht. Es war aber nicht gelungen, dies auch durch bildgebende Verfahren zu bestätigen. In neusten Studien aus Eukaryoten (höhere Zellen mit Zellkern) wurde nun ein alternativer Weg in die Membran beobachtet, bei dem Membranproteine über die Rückseite des Translokons („back-of-Sec“) inseriert werden.
Bei der nun in EMBO-Journal veröffentlichten Studie untersuchte das Team um Prof. Kedrov die Struktur und den Einbauvorgang von Proteinen in Bakterienzellen, sogenannten 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?“
An der HHU wurden dafür die Ribosomen-Membranproteinkomplexe hergestellt, deren Struktur anschließend an der LMU München mithilfe der Kryoelektronenmikroskopie bestimmt wurde. Die Düsseldorfer Forschenden haben auf dieser Datengrundlage die Funktionsweise entschlüsselt.
Max Busch, Doktorand in Kedrovs Gruppe und Erstautor der Studie: „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.“
Das Ergebnis hilft dabei, die Faltungsprozesse von Membranproteinen besser zu verstehen. „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.“
Ziel von Kedrovs Arbeitsgruppe ist es darüber hinaus, basierend auf den bisherigen Ergebnissen die Membranproteininsertion weiter und detaillierter zu untersuchen. Besonders die Rolle von weiteren involvierten Proteinen soll aufgeklärt werden.
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Originalpublikation:
Busch, M., Rosales-Hernandez, C., Kamel, M. et al. Substrate-induced assembly and functional mechanism of the membrane protein insertase SecYEG-YidC. EMBO J (2026). doi.org/10.1038/s44318-026-00837-6
