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Eine neue Rolle für Membranbausteine

Zwischen den Lipidbausteinen biologischer Membranen und den hydrophoben Domänen der Membranproteine kommt es zu hochspezifischen Wechselwirkungen, die an der Regulation des Transports durch die Membran beteiligt sind. Dieses in seiner Genauigkeit unerwartete Zusammenspiel von Membrankomponenten wurde jetzt von Heidelberger und schwedischen Forschern in der Zeitschrift „Nature“ publiziert.

Modell eines Transmembranproteins, das in dem die Membran-durchspannenden Bereich (blau) über eine Erkennungssequenz (rot) spezifisch mit einem Lipid (gelb: Kopfgruppe, grün: Membrananker) wechselwirkt. © Erik Lindahl, Royal Institute of Technology & Stockholm University

Biochemiker der Universität Heidelberg haben mit Hilfe eines neu entwickelten Verfahrens Licht in die bisher weitgehend unerforschte Funktionsweise von Membranbausteinen gebracht. Die Wissenschaftler am Biochemie-Zentrum der Universität Heidelberg (BZH) entdeckten in Zusammenarbeit mit Bioinformatikern der Universität Stockholm in der biologischen Membran, die eine Zelle eines Organismus umgibt, eine hochspezifische Erkennung und Wechselwirkung zwischen dem wasserabstoßenden Teil eines Proteins und eines Lipids. Der Lipidbaustein reguliert in der wasserabstoßenden Phase von biologischen Membranen einen intrazellulären Transportprozess. Bisher hatte die Forschung eine derartige Wechselwirkung in Membranen für nicht wahrscheinlich gehalten. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature" veröffentlicht.

„Diese neue und unerwartete Rolle eines Membran-Lipidbausteins ist deshalb aufregend, weil biologische Membranen aus mehr als 1.000 verschiedenen Lipidbausteinen aufgebaut sind, die exakt mit einigen der mehr als 10.000 Membranproteine binden und damit deren Aktivität regulieren können", erklärt Prof. Dr. Felix Wieland vom BZH, der die Forschergruppe zusammen mit Dr. Britta Brügger leitet. „Mit diesen Befunden ist die Tür offen zur Erforschung eines neuartigen molekularen Mechanismus der Kontrolle zellulärer Aktivitäten." Die Heidelberger Wissenschaftler arbeiteten bei ihren Untersuchungen mit den Forschungsgruppen von Prof. Dr. Gunnar von Heijne und Prof. Dr. Erik Lindahl in Stockholm zusammen.

Organismen funktionieren durch eine Vielzahl exakter Bindungen unterschiedlicher biologischer Bausteine miteinander. Wie die Grundprinzipien solcher hochspezifischer Wechselwirkungen im wässrigen Milieu in Zellen funktionieren, ist der Wissenschaft bereits bekannt. „Im Gegensatz dazu stellt man sich den inneren, wasserabstoßenden Raum biologischer Membranen weitgehend wie ein Öl vor, in dem Proteine herumschwimmen", erläutert Prof. Wieland. „Die Prinzipien der spezifischen Erkennung von Bausteinen in diesem ‚öligen Meer aus Lipiden' sind bisher wenig bekannt. Das liegt daran, dass die Prinzipien der spezifischen Bindung im Wässrigen nicht auf nicht-wässrige Phasen anwendbar sind, außerdem stehen noch nicht lange empfindliche Methoden zur Bestimmung von Membranlipiden zur Verfügung.

"Um zu verstehen, wie der Transport von Membranvesikeln in einer Zelle funktioniert, arbeiteten die Wissenschaftler Methoden aus, mit denen man alle Lipidbausteine einer biologischen Membran mit hoher Empfindlichkeit auch mengenmäßig genau erfassen kann. „Bei der Untersuchung solcher Vesikel fiel uns auf, dass ihre Lipidzusammensetzung sich von den Membranen unterschied, aus denen sie gebildet worden waren", erläutert Dr. Brügger. „Dieser Unterschied konnte nur erklärt werden, wenn man annahm, dass in der Membran eine hochspezifische Erkennung zwischen den Bausteinen möglich ist." Die Forscher entwickelten daher ein Verfahren zur Vermessung solcher Wechselwirkungen in der Lipidphase im Reagenzglas. Damit konnten sie Befunde aus der lebenden Zelle bestätigen und ein Strukturmerkmal im betreffenden Protein charakterisieren, das für die Spezifität der Wechselwirkung verantwortlich ist.

Prof. Dr. Felix T. Wieland; Biochemie-Zentrum Heidelberg. © Universität Heidelberg

„Transplantiert man diesen Strukturteil in ein anderes Protein, welches vorher nicht in der Lage war, den Lipidbaustein zu erkennen, dann erwirbt dieses Protein die Fähigkeit seiner spezifischen Erkennung", erklärt Prof. Wieland.

Die Forscher erkannten auch eine Funktion dieser exakten Wechselwirkung: Durch seine Bindung stimuliert das Lipid sein Protein dazu, sich mit einem identischen Protein zusammenzuschließen. Nur das daraus resultierende „Doppelprotein" kann zur Bildung eines Transportvesikels beitragen. „Der Lipidbaustein übernimmt also die Rolle eines ‚Kofaktors' und reguliert damit einen zellulären Prozess", erklärt Prof. Wieland. Bisher haben die Wissenschaftler in Heidelberg und Stockholm bereits rund 50 Membranprotein-Kandidaten identifiziert, die allein mit den verschiedenen Mitgliedern einer Membranbaustein-Familie ähnlich spezifische Wechselwirkungen eingehen könnten.

Glossar

  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Lipide sind Fette und fettähnliche Substanzen.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Bioinformatik ist eine Wissenschaft, die sich mit der Verwaltung und Analyse biologischer Daten mit Hilfe modernster Computertechnik, befasst. Dient derzeit hauptsächlich zur Vorhersage der Bedeutung von DNA-Sequenzen, der Proteinstruktur, des molekularen Wirkmechanismus und der Eigenschaften von Wirkstoffen. (2. Satz: mwg-biotech)
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Eine Proteindomäne ist ein konservierter, strukturell abgegrenzter Bereich innerhalb der Polypeptidkette eines Proteins, der eine bestimmte Faltstruktur aufweist und dadurch meist auch eine individuelle Funktion besitzt. Proteine besitzen häufig mehrerer solcher Domänen, die in ihrer Gesamtheit die spezifische Funktion des Proteins bestimmen.
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