Forskare löser det mer än 25 år gamla pusslet om hur proteiner sorteras i cellen. Ett proteinkomplex känt som NAC (nascent polypeptide-associated complex) fungerar som en "gatekeeper" i proteinsyntesen och reglerar transporten av proteiner i cellen. Den molekylära mekanismen bakom denna funktion har nu belysts av cell- och molekylärbiologer från Konstanz inom ett internationellt samarbetsprojekt.

För att upprätthålla våra cellulära funktioner är det viktigt att proteiner transporteras till olika destinationer inom cellen – kallade "cellorganeller" i analogi med vår kropps organ – medan de fortfarande syntetiseras. Men hur är det möjligt att skilja på olika transportdestinationer och förhindra att proteiner når fel organeller? Ett internationellt forskarlag har nu upptäckt hur denna komplexa process styrs på molekylär nivå för en viktig cellulär destination – transporten av nya proteiner till ett membrannätverk i cellen, det endoplasmatiska retikulumet.

I deras nuvarande publikation i tidskriften Science , kunde forskarna visa att ett proteinkomplex känt bland experter som NAC, som upptäcktes för mer än 25 år sedan, spelar en avgörande roll i denna process:Liksom en gatekeeper ser NAC till att endast proteiner med det endoplasmatiska retikulumet som destination är skickas vidare till proteintransportören SRP (signaligenkänningspartikel). SRP förmedlar sedan transporten av "lasten" till angiven destination. Om däremot ett begynnande protein har en annan destination än det endoplasmatiska retikulumet, nekar gatekeepern NAC tillgång till proteintransportören SRP.

Proteinfabrik

Med hjälp av det genetiska materialet som en ritning produceras tusentals och åter tusentals nya proteiner varje minut i cellerna i vår kropp. Denna proteinproduktion sker i ribosomerna, de cellulära "fabrikerna" i våra kroppar, där enskilda aminosyror – proteinernas byggstenar – sätts samman till långa aminosyrakedjor. De resulterande proteinerna kan senare ta på sig en mängd olika funktioner och följaktligen ha olika destinationer inom cellen. Lämpliga sorteringsmekanismer säkerställer därför ofta redan under proteinproduktionen att proteinerna på ett tillförlitligt sätt når sin respektive plats i cellen.

Hittills har det varit känt att två proteinkomplex, ovan nämnda NAC och SRP, spelar en viktig roll i den riktade transporten av begynnande proteiner till det endoplasmatiska retikulumet. SRP är det egentliga "transportproteinet" som etablerar kontakten mellan de begynnande proteinerna tillsammans med ribosomen till det endoplasmatiska retikulumet. Den känner igen en specifik transportsignal som är kodad i det nysyntetiserade proteinet. Det finns dock ett problem:SRP binder också ospecifikt till ribosomer som inte har någon signal för det endoplasmatiska retikulumet.

"Okontrollerat skulle SRP binda till vilken ribosom som helst i närheten och sedan transportera den till det endoplasmatiska retikulumet, oavsett om ett protein med den destinationen för närvarande produceras eller inte. Detta skulle resultera i otaliga felleveranser som allvarligt skulle försämra funktionen och livskraften hos cellen", förklarar Elke Deuerling, en av seniorförfattarna till den aktuella studien och professor i molekylär mikrobiologi vid universitetet i Konstanz. Så forskarna drar slutsatsen att det finns en kontrollinstans som förhindrar just det:gatekeeper NAC.

Spåra den molekylära mekanismen

Hur exakt NAC hindrar SRP från att binda ospecifikt till någon ribosom på molekylär nivå och istället ser till att endast rätt ribosomer transporteras till det endoplasmatiska retikulum var tidigare oklart. Biologerna från Konstanz undersökte denna fråga i sin aktuella studie i samarbete med kollegor från ETH Zürich (Schweiz), MRC Laboratory of Molecular Biology (LMB, Cambridge, Storbritannien) och California Institutes of Technology (Caltech, Pasadena, U.S.).

För att göra detta simulerade de först processerna i cellen genom att blanda renade ribosomer tillsammans med NAC och SRP i provröret. Blandningen snabbfrystes sedan vid under -150 grader Celsius och provet undersöktes under ett elektronmikroskop - en metod som kallas kryoelektronmikroskopi. Detta gjorde det möjligt för strukturbiologerna Dr Ahmad Jomaa och Dr Viswanathan Chandrasekaran, medförfattare till studien, att avslöja hur NAC binder till ribosomer före och efter lastöverföring till SRP. Detta var en viktig hörnsten för att klargöra grindvaktsmekanismen, men övergången mellan staterna förblev oklar.

"Övergången är en mycket dynamisk process som inte kan visualiseras med kryoelektronmikroskopi", förklarar Dr. Martin Gamerdinger, en av huvudförfattarna från University of Konstanz. För att förstå denna process genomförde han och hans team, doktorandforskarna Annalena Wallisch och Zeynel Ulusoy, högupplösta biokemiska bindningsstudier som i detalj avslöjade interaktionsmekanismen för NAC på ribosomer beroende på vilken typ av protein som syntetiserats.

NAC som gatekeeper

Med hjälp av denna metod och datorstödd rekonstruktion av 3D-strukturerna, samt experiment av Dr Hao-Hsuan Hsieh på bindningsstyrkan mellan de inblandade komponenterna, lyckades forskarna dechiffrera hur NAC fungerar på molekylär nivå. Baserat på deras resultat kunde de föreslå en detaljerad molekylär mekanism för NAC:s sorteringsfunktion.

Enligt detta binder NAC till ribosomen, specifikt till avsnittet där det begynnande proteinet lämnar "proteinfabriken". Liksom en gatekeeper sitter en del av NAC skyddande framför denna utgång, ribosomtunneln, och nekar SRP tillgång till ribosomen och det begynnande proteinet. Tillträde beviljas endast när en transportsignalsekvens för det endoplasmatiska retikulumet – kodat i det begynnande proteinet – lämnar tunneln under proteinsyntesens gång. NAC känner igen denna signal och ändrar sin position på ribosomen. På så sätt blir utgången av den ribosomala tunneln oblockerad och SRP kan nu docka till tunnelutgången efter att ha aktivt rekryterats till ribosomen via en "griparm" av NAC, dvs UBA-domänen. Efter SRP-bindning och signalsekvensöverföring transporteras ribosomen tillsammans med det begynnande proteinet till det endoplasmatiska retikulumet.

"Vår studie avslöjar den molekylära funktionen av NAC som en gatekeeper, vilket ger SRP endast tillgång för de begynnande proteiner vars destination är det endoplasmatiska retikulumet," sammanfattar professor Elke Deuerling denna grundläggande kontrollmekanism. Hon håller med sina internationella samarbetspartners professor Nenad Ban (ETH Zürich, Schweiz), professor Shu-ou Shan (Caltech, USA) och professor Ramanujan Hegde (MRC-LMB, Storbritannien):"Framtida studier måste visa om NAC också har andra kontrollfunktioner vid ribosomtunneln."