Damit viele Proteine funktionsfähig sind, muss die Aminosäurekette während des Produktionsprozesses in der Zelle eine dreidimensionale stabile Struktur erhalten. Dies ist vergleichbar mit dem Verdrehen eines Drahtes zu einem funktionierenden Werkzeug (Büroklammer, Feder…). Dieser Vorgang ist die Proteinfaltung. Die Proteinfaltung ist daher für die Herstellung verschiedener funktioneller Einheiten wie Enzyme und Strukturproteine verantwortlich, die von der Zelle in vielen lebenswichtigen Prozessen verwendet werden. Die Proteinfaltung verhindert auch ungeeignete Wechselwirkungen zwischen Proteinen, indem sie bestimmte Aminosäurenteile der Kette verbirgt, die, wenn sie nicht verborgen sind, ununterscheidbar mit anderen Proteinen reagieren (Miller, S. 1).
Das endoplasmatische Retikulum ist die Zelle, in der die Synthese aller Proteine stattfindet, seien es sekretorische Proteine wie Hormone, Antikörper oder Enzyme oder Membranproteine, die auf der Zelloberfläche als Rezeptoren vorhanden sind. Das endoplasmatische Retikulum ist das Zellkompartiment, das alle anderen Proteine produziert, die in den intrazellulären Kompartimenten wie den Lysosomen vorhanden sind. Das endoplasmatische Retikulum ist also ein fördernder Ort für den Aufbau und die Faltung von Proteinen. Das endoplasmatische Retikulum ist, wie der Name schon sagt, eine fortlaufende Kette miteinander verbundener, intrazytoplasmatischer, membranumrandeter Beutel. Die große Anzahl von Ribosomen, die entlang der Oberfläche des rauen endoplasmatischen Retikulums vorhanden sind, produziert Proteine, die dann in das Lumen des endoplasmatischen Retikulums eingebracht werden. Die Faltung und der Zusammenbau der neuen Proteine erfolgt im endoplasmatischen Retikulum mit Hilfe von molekularen Chaperonen, Faltungsfaktoren und Sensoren. Chaperone verbinden sich mit neu gebildeten Proteinen und geben sie an Faltungsfaktoren weiter, die die Proteinstruktur durch die Bildung von Disulfidbindungen stabilisieren. Die Faltungssensoren sind dafür verantwortlich, herauszufinden, ob die Proteine die richtige Struktur haben. Wird die richtige Struktur nicht erreicht, findet ein Proteinrecycling und eine Wiederholung der Faltung statt, das ist der Calnexin-Zyklus (Molinari, M, und Kollegen, S. 1397-1400).
Der Verbrauch von falsch gefalteten Proteinen kann für die Vitalität des Individuums entscheidend sein; daher verfügt das endoplasmatische Retikulum über ein Qualitätskontrollsystem. Die Funktion dieses Systems besteht darin, die Konformität und Reife der produzierten Proteine zu gewährleisten, indem es die Auslieferung unvollständig gefalteter oder fehlgefalteter Proteine blockiert, die dann im Zytoplasma zerstört werden. Beide Mechanismen, die Unterbrechung der Auslieferung und die Zerstörung (Abbau) von fehlgefalteten Proteinen, sind nicht vollständig geklärt. Molinari und Kollegen (S. 1397-1400) schlugen das Vorhandensein eines Mannose-bindenden Lektins im endoplasmatischen Retikulum vor, dessen Funktion darin besteht, die Zurückhaltung fehlgefalteter Proteine zu regulieren. Dieser Lektinspiegel beeinflusst die wiederholte Faltung fehlgefalteter Proteine über den Calnexin-Zyklus; bei hohen Spiegeln findet eine frühere Freisetzung fehlgefalteter Proteine aus dem Calnexin-Zyklus mit raschem Abbau statt. Bei niedrigen Lektinspiegeln verlängern sich die Faltungsversuche im Calnexin-Zyklus, und der Abbau verzögert sich (Molinari, M und Kollegen, S. 1397-1400). Bukau und Kollegen (S. 443-451) schlugen ein Überwachungs-Chaperon (IRE1) vor, das ein Transmembrankinase-Enzym mit einem Hohlraum (luminaler Bereich) ist, um das fehlgefaltete Protein zu erkennen. IRE1 ist auch eine zytoplasmatische Kinase und ein Ribonuklease-Reich. Abbildung 1 zeigt, wie IRE1 ungefaltete Proteine erkennt (nach Bukau und Kollegen, S. 444). Hoffmann und Kollegen (S. 22-29) schlugen vor, dass der Abbau von fehlgefalteten Proteinen durch ATP-abhängige proteolytische Enzymsysteme erfolgt. Im Vergleich zu Bakterien wird dies durch ein regulatorisches AAA-Chaperon unterstützt, das die Wirkung einer Adenosintriphosphatase (ATPase) und eines begleitenden Peptidase-Enzyms besitzt. Bei thermischem Stress, bei dem fehlgefaltete Proteine aggregieren, funktioniert dieses Netzwerk nicht, und das AAA-Chaperon begleitet die Peptidase nicht, sondern arbeitet mit einem anderen System (DnaK-System) zusammen (Hoffmann und andere (S. 22-29).
Das Wort Chaperon bedeutet so viel wie “Anstandsdame”, “Wächter” oder “Führer” (Compact Oxford Dictionary). In diesem Sinne sind Chaperonproteine aufeinanderfolgende Proteinketten im endoplasmatischen Retikulum. Diese Proteine leiten den korrekten Prozess der Proteinfaltung über komplizierte Bindungs- und Freigabeprozesse (Pain, S. 365). Chaperone haben einige Gemeinsamkeiten: Sie stehen in Wechselwirkung mit ungefalteten oder fehlgefalteten Proteinketten, die hauptsächlich von Ribosomen (naszierend) produziert werden, oder mit verlängerten, vergrößerten Ketten, die durch die Membranen von Organellen (subzellulär) übertragen werden. Chaperone sind jedoch nie Teil des endgültigen Proteinmoleküls, sondern helfen auch bei der Einbindung von ATP (als Energiequelle) in den Faltungsprozess. Es gibt zwei Arten von Chaperonen: unspezifische, die auf verschiedene Polypeptidketten wirken, und spezifische, die auf bestimmte Proteinketten abzielen. Was die Form betrifft, so sind einige Chaperone blockförmig, andere donutförmig, wieder andere tunnelförmig, und wieder andere bestehen aus paarigen Untereinheiten. Es gibt zwei gut untersuchte Chaperonsysteme, Hsp70 (Hitzeschockprotein70) und Hsp60 (Hitzeschockprotein60); Hsp70-Chaperone sind zahlreich und haben jeweils eine bestimmte Funktion. Hsp70-Chaperone arbeiten in Verbindung mit Co-Chaperon-Proteinen, die die Chaperon-Aktivität anpassen. Beispiele für Hsp70-Chaperone sind DnaK (aus E. coli-Bakterien), Ssa und Ssb (aus Hefe). Hsp60-Chaperone, die gelegentlich auch als Chaperonine bezeichnet werden, sind tonnenförmig und bestehen aus 14 bis 16 Untereinheiten, die jeweils einen Bereich mit unpolaren Aminosäuren aufweisen, der der Innenwand der Tonne zugewandt ist. Ihre Funktion besteht darin, den entsprechend aufgedeckten unpolaren Aminosäurebereich des fehlgefalteten Proteins zu erkennen. Beispiele für Hsp60-Chaperone sind GroEl (identifiziert in E. coli) und TRiC/CCT (identifiziert in eukaryotischen Zellen). Es gibt noch weitere Systeme von Chaperonproteinen, sogar nichtbiologische Moleküle wie Glycerin, Chlorid, Harnstoff und NaCl können als Chaperone fungieren (Pain, S. 378-391).
Der zelluläre Regulierungsprozess der Proteinfaltung umfasst molekulare Chaperone und Proteaseenzyme, die die Proteinfaltung unterstützen und die Qualität des endgültigen Proteinprodukts kontrollieren. Genetische oder nicht genetische Faktoren können die Proteinfaltung beeinflussen, was zur Bildung von fehlgefalteten, destabilisierten, aggregierten oder fibrillären Proteinen führt. Dies sind Merkmale der Proteinkonformationsstörungen, bei denen die veränderten molekularen Strukturen (Konformationen) der Proteine zu Zelltoxizität oder funktionellen Defiziten führen. Beispiele für Proteinkonformationsstörungen sind neurodegenerative und metabolische Erkrankungen wie die Alzheimer-Krankheit, die Parkinson-Krankheit und einige Arten von Enzephalitis (spongiforme Enzephalitis). Weitere Beispiele sind die familiäre amyloide Polyneuropathie und die Phenylketonurea (eine Stoffwechselstörung). Es gibt weitere neurodegenerative Störungen der Proteinkonformation wie die Huntington-Krankheit und die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit. Auch bei der zystischen Fibrose der Lunge geht man davon aus, dass sie auf Störungen der Eiweißkonformation zurückzuführen ist. Verschiedene kleine chemische Verbindungen wie Osmolyte (osmotische Druckschutzmittel wie Trimethylglycin), Proteininhibitoren, Liganden (anorganische biologische Moleküle). Einige Kofaktoren (Nicht-Protein-Verbindungen, die mit Enzymen verbunden sind, um katalytische Komplexe zu bilden) haben einen chemischen Chaperon-Effekt und können Faltungsdefekte und Transferdefekte verhindern und so die pathologischen Auswirkungen der Proteinfehlfaltung minimieren oder teilweise überwinden (Leondrol und Gomes, S. 901-911).
Neuere Daten lassen die Vermutung zu, dass jede Polypeptidkette eine unbekannte, aber bereits vorhandene, vorher verborgene Eigenschaft besitzt, die sie unter geeigneten destabilisierenden Bedingungen zu einem unspezifischen Gift für Zellen macht. Diese Sichtweise der Proteinbiologie unterstreicht die Bedeutung der negativen Selektion gegen Moleküle mit einer auffälligen Tendenz zur Aggregation während des Proteinbildungsprozesses. Ebenso wie während des biologischen Prozesses, der die komplexen molekularen Mechanismen entwickelt, die danach streben, die Entstehung von fehlgefalteten Proteinen und ihren toxischen frühen Aggregaten zu verhindern. Chemische Chaperone sind in der Erprobung, um die Fehlfaltung von Proteinen rückgängig zu machen, Moleküle mit kleiner Molekülmasse, wie Osmolyte (z.B. Glycerin), sind ebenfalls in der Erprobung. Chemische Chaperone benötigen jedoch hohe Konzentrationen, um eine Wirkung zu erzielen, während Osmolyte nicht spezifisch genug sind. Experimentelle Forschungsdaten legen nahe, dass die Reparatur fehlgefalteter Proteine einen praktikablen therapeutischen Ansatz für Störungen der Proteinkonformation darstellt. Der Einsatz chemischer Chaperone hat sich in tierexperimentellen Studien als wenig nachteilig erwiesen. Die Behandlung mit Chaperonen beim Menschen bedarf noch weiterer Studien, um ihre Wirksamkeit und Sicherheit zu bestätigen. Ein besseres Verständnis der Ursachen der Proteinaggregation sowie der genetischen und umweltbedingten Anfälligkeit eines bestimmten Individuums wird bessere Aussichten für wirksame therapeutische Maßnahmen bieten (Stefani, S. 5-25).
Die Proteinfaltung ist nach wie vor ein großes Problem der Molekularbiologie. Sie ist nicht nur eine akademisch attraktive und herausfordernde Frage, sondern steht auch im Zusammenhang mit verschiedenen Anwendungen und Krankheiten, die zu Behinderungen führen können. Das akademische Verständnis von Faltung und Zusammenbau hat in den letzten Jahren erheblich zugenommen, insbesondere was zelluläre Faktoren wie Chaperone betrifft, die für die Proteinfaltung wichtig sind. Auch bei der Anwendung dieses Wissens wurden bemerkenswerte Fortschritte erzielt, so dass molekulare, chemische und pharmakologische Chaperone die Art der Behandlung verändern und eine neue Grenze in der klinischen Erforschung neurodegenerativer Krankheiten eröffnen könnten.
Zitierte Werke
Bukau, B., Weissmann, J., und Horwich, A. “Molecular Chaperones and Protein Quality Control”. Cell Vol 125 2006. S. 443-451.
Hoffmann, A., Kramer, G., Merz, F., Patzelt, T. et al. “Mechanismen von Chaperonen und Proteasen”. Bernd Bukau. 2005. Web.
Leonardo, P., und Gomes, C., M. “Protein Misfolding in Conformational Disorders: Rescue of Folding Defects and Chemical Chaperoning”. Mini-Reviews in Medicinal Chemistry vol 8 (9) 2008. p. 901-911.
Miller, N. “Die Krankheiten der Fehlfaltung entfaltet”. Beremans Limited. 2004. Web.
Molinari, M., Calanca, V., Galli, C., Lucca, P. und Paganetti, P. “Role of EDEM in the Release of Misfolded Glycoproteins from the Calnexin Cycle”. Science Vol. 299 2003. S. 1379-1400.
Pain, R. H. (Herausgeber). Mechanismen der Proteinfaltung. Frontiers in Molecular Biology. New York: Oxford University Press, 2000.
Stefani, M. “Proteinfehlfaltung und Aggregation: neue Beispiele in Medizin und Biologie für die dunkle Seite der Proteinwelt”. Biochimica et Biophysica Acta vol 1739 2004. p. 5-25.
Anhang 1
Schematische Darstellung der Erkennung von ungefaltetem Protein:
Ein hypothetisches Modell zeigt die Aktivierung von Ire1 durch Oligomerisierung, die durch die Bindung ungefalteter Proteine (rot dargestellt) bewirkt wird. Direkte oder indirekte Wechselwirkungen zwischen ungefalteten Proteinketten können zur Aktivierung beitragen. Auf der luminalen Seite der ER-Membran (endoplasmatisches Retikulum) ist die postulierte Bindungsfurche für ungefaltete Proteine, die durch die Dimerisierung der luminalen Kerndomäne von Ire1 über die Schnittstelle 1 gebildet wird, in grau dargestellt. Auf der zytoplasmatischen Seite der ER-Membran grenzt die Oligomerisierung an die Ire1-Kinasedomänen, die nach der Autophosphorylierung eine Konformationsänderung erfahren, die zur Aktivierung der RNase-Funktion von Ire1 führt. Inaktives Ire1 könnte wie gezeigt monomer sein oder bereits in oligomeren, aber inaktiven Zuständen vorliegen, deren quaternäre Assoziationen sich bei der Bindung von ungefaltetem Protein ändern.