Onderzoekers lossen de meer dan 25 jaar oude puzzel op van hoe eiwitten in de cel worden gesorteerd. Een eiwitcomplex dat bekend staat als NAC (ontluikend polypeptide-geassocieerd complex) dient als een "poortwachter" bij de eiwitsynthese en reguleert het transport van eiwitten in de cel. Het moleculaire mechanisme achter deze functie is nu opgehelderd door cel- en moleculair biologen uit Konstanz binnen een internationaal samenwerkingsproject.

Voor het in stand houden van onze cellulaire functies is het essentieel dat eiwitten naar verschillende bestemmingen in de cel worden getransporteerd - naar analogie van de organen van ons lichaam "celorganellen" genoemd - terwijl ze nog steeds worden gesynthetiseerd. Maar hoe is het mogelijk om verschillende transportbestemmingen van elkaar te onderscheiden en te voorkomen dat eiwitten de verkeerde organellen bereiken? Een internationaal onderzoeksteam heeft nu ontdekt hoe dit complexe proces op moleculair niveau wordt gecontroleerd voor een belangrijke cellulaire bestemming:het transport van ontluikende eiwitten naar een membraannetwerk van de cel, het endoplasmatisch reticulum.

In hun huidige publicatie in het tijdschrift Science , konden de onderzoekers aantonen dat een eiwitcomplex dat bij experts bekend staat als NAC, dat meer dan 25 jaar geleden werd ontdekt, een beslissende rol speelt in dit proces:als een poortwachter zorgt NAC ervoor dat alleen eiwitten met het endoplasmatisch reticulum als bestemming worden doorgegeven aan de eiwittransporter SRP (signaalherkenningsdeeltje). SRP bemiddelt vervolgens bij het vervoer van de "lading" naar de opgegeven bestemming. Als een ontluikend eiwit daarentegen een andere bestemming heeft dan het endoplasmatisch reticulum, ontzegt de poortwachter NAC de toegang tot de eiwittransporter SRP.

Eiwitfabriek

Met behulp van het genetische materiaal als blauwdruk worden elke minuut duizenden en duizenden nieuwe eiwitten geproduceerd in de cellen van ons lichaam. Deze eiwitproductie vindt plaats in de ribosomen, de cellulaire 'fabrieken' van ons lichaam, waar individuele aminozuren - de bouwstenen van eiwitten - worden samengevoegd tot lange aminozuurketens. De resulterende eiwitten kunnen later een grote verscheidenheid aan functies aannemen en hebben daardoor verschillende bestemmingen binnen de cel. Geschikte sorteermechanismen zorgen er daarom vaak al tijdens de eiwitproductie voor dat de eiwitten betrouwbaar hun respectievelijke locatie in de cel bereiken.

Tot nu toe was bekend dat twee eiwitcomplexen, de eerder genoemde NAC en SRP, een belangrijke rol spelen bij het gericht transport van ontluikende eiwitten naar het endoplasmatisch reticulum. SRP is het eigenlijke "transporteiwit" dat het contact van de ontluikende eiwitten samen met het ribosoom met het endoplasmatisch reticulum tot stand brengt. Het herkent een specifiek transportsignaal dat wordt gecodeerd in het nieuw gesynthetiseerde eiwit. Er is echter een probleem:SRP bindt ook niet-specifiek aan ribosomen die geen signaal hebben voor het endoplasmatisch reticulum.

"Ongecontroleerd zou SRP zich binden aan elk ribosoom in de buurt en het vervolgens naar het endoplasmatisch reticulum transporteren, ongeacht of er momenteel een eiwit met die bestemming wordt geproduceerd. Dit zou resulteren in talloze verkeerde leveringen die de functie en levensvatbaarheid van de cel", legt Elke Deuerling uit, een van de senior auteurs van de huidige studie en hoogleraar moleculaire microbiologie aan de Universiteit van Konstanz. Dus de onderzoekers concluderen dat er een controle-instantie is die precies dat voorkomt:de poortwachter NAC.

Het moleculaire mechanisme opsporen

Hoe NAC precies voorkomt dat SRP niet-specifiek bindt aan een ribosoom op moleculair niveau en in plaats daarvan ervoor zorgt dat alleen de juiste ribosomen naar het endoplasmatisch reticulum worden getransporteerd, was voorheen onduidelijk. De biologen uit Konstanz onderzochten deze vraag in hun huidige studie in samenwerking met collega's van ETH Zürich (Zwitserland), MRC Laboratory of Molecular Biology (LMB, Cambridge, VK) en de California Institutes of Technology (Caltech, Pasadena, VS).

Hiervoor simuleerden ze eerst de processen in de cel door in de reageerbuis gezuiverde ribosomen te mengen met NAC en SRP. Het mengsel werd vervolgens snel ingevroren bij minder dan -150 graden Celsius en het monster onderzocht onder een elektronenmicroscoop - een methode die bekend staat als cryo-elektronenmicroscopie. Hierdoor konden structurele biologen Dr. Ahmad Jomaa en Dr. Viswanathan Chandrasekaran, co-auteurs van de studie, onthullen hoe NAC zich bindt aan ribosomen voor en na vrachtoverdracht naar SRP. Dit was een belangrijke hoeksteen bij het ophelderen van het poortwachtermechanisme, maar de overgang tussen de staten bleef onduidelijk.

"De overgang is een zeer dynamisch proces dat niet kan worden gevisualiseerd met cryo-elektronenmicroscopie", legt dr. Martin Gamerdinger uit, een van de hoofdauteurs van de Universiteit van Konstanz. Om dit proces te begrijpen, voerden hij en zijn team, doctoraalonderzoekers Annalena Wallisch en Zeynel Ulusoy, biochemische bindingsstudies met hoge resolutie uit die in detail het interactiemechanisme van NAC op ribosomen onthulden, afhankelijk van het type eiwit dat wordt gesynthetiseerd.

NAC als poortwachter

Met behulp van deze methode en computerondersteunde reconstructie van de 3D-structuren, evenals experimenten van Dr. Hao-Hsuan Hsieh op de bindingssterkte tussen de betrokken componenten, slaagden de onderzoekers erin te ontcijferen hoe NAC op moleculair niveau werkt. Op basis van hun resultaten konden ze een gedetailleerd moleculair mechanisme suggereren voor de sorteerfunctie van NAC.

Volgens dit bindt NAC aan het ribosoom, met name aan het gedeelte waar het ontluikende eiwit de 'eiwitfabriek' verlaat. Als een poortwachter zit een deel van NAC beschermend voor deze uitgang, de ribosomale tunnel, en ontzegt SRP toegang tot het ribosoom en het ontluikende eiwit. Toegang wordt alleen verleend wanneer een transportsignaalsequentie voor het endoplasmatisch reticulum - gecodeerd in het ontluikende eiwit - de tunnel verlaat tijdens de eiwitsynthese. NAC herkent dit signaal en verandert zijn positie op het ribosoom. Op deze manier wordt de uitgang van de ribosomale tunnel gedeblokkeerd en kan SRP nu aan de tunneluitgang worden gekoppeld nadat het actief is gerekruteerd naar het ribosoom via een "grijparm" van NAC, d.w.z. het UBA-domein. Na SRP-binding en signaalsequentieoverdracht wordt het ribosoom samen met het ontluikende eiwit naar het endoplasmatisch reticulum getransporteerd.

"Onze studie onthult de moleculaire functie van NAC als poortwachter, die SRP alleen toegang verleent voor die ontluikende eiwitten waarvan de bestemming het endoplasmatisch reticulum is", vat professor Elke Deuerling dit fundamentele controlemechanisme samen. Ze is het eens met haar internationale samenwerkingspartners professor Nenad Ban (ETH Zürich, Zwitserland), professor Shu-ou Shan (Caltech, VS) en professor Ramanujan Hegde (MRC-LMB, VK):"Toekomstige studies zullen moeten uitwijzen of NAC ook andere controlefuncties in de ribosomale tunnel."