Bakterielle Ribosomen: Molekularer Auffahrunfall aktiviert Schutzmechanismus

Was passiert, wenn die Proteinproduktion stockt, weil die Synthesemaschine, das Ribosom, steckenbleibt? LMU-Wissenschaftler zeigen, wie Bakterien den Fehler beseitigen.

Ribosomen sind für alle Organismen lebenswichtig. Sie übersetzen die im Botenmolekül mRNA gespeicherte Information in Proteine. Dazu binden sie an den mRNA-Strang und fahren an ihm entlang, um den genetischen Code abzulesen und die entsprechenden Aminosäuren in der richtigen Reihenfolge zu einem Protein zu verknüpfen. Bleibt ein Ribosom dabei mitten auf der mRNA stecken, entstehen fehlerhafte Proteine, die für die Zelle toxisch sein können. Deshalb besitzen Zellen Recyclingsysteme, um blockierte Ribosomen zu erkennen und defekte mRNAs abzubauen. Für Bakterien war bisher völlig unklar, wie die Zelle steckengebliebene Ribosomen erkennt.

Ein Team um Roland Beckmann vom Genzentrum der LMU konnte in Zusammenarbeit mit einem Wissenschaftlerteam um Allen R. Buskirk und Rachel Green von der Johns Hopkins University (USA) nun zeigen, dass die Kollision zweier Ribosomen dabei eine entscheidende Rolle spielt. Zudem identifizierten sie das für die Erkennung und Rettung entscheidende Enzym, wie die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im renommierten Fachmagazin Nature berichten.

Da auf der mRNA meistens mehrere Ribosomen gleichzeitig unterwegs sind, führt der unvorhergesehene Stopp eines Ribosoms mitten auf dem mRNA-Strang zu einem molekularen Auffahrunfall, bei dem das folgende Ribosom mit dem stehengebliebenen kollidiert. „Für höhere Lebewesen, Eukaryoten, war bereits bekannt, dass die Kollision von Ribosomen Prozesse aktiviert, die zum Abbau der mRNA und des potentiell toxischen Proteins führen“, sagt Hanna Kratzat, Mitarbeiterin in Beckmanns Team und Ko-Autorin des Papers. Für die in Eukaryoten beteiligten Faktoren und Mechanismen gibt es in Bakterien aber keine Pendants. Stattdessen identifizierte ein Team um Allen R. Buskirk und Rachel Green (Johns Hopkins University) mithilfe eines genetischen Screenings das Enzym SmrB als bisher unbekannten molekularen „Unfallhelfer“, der in Bakterien dafür sorgt, dass steckengebliebene Ribosomen zunächst erkannt und dann recycelt werden können.

Auf welche Weise dies geschieht, konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Beckmanns Labor mithilfe kryo-elektronenmikroskopischer (Kryo-EM) Untersuchungen nachweisen. Auch in Bakterien ist es die Kollision von Ribosomen auf der mRNA, die die Rettungsaktion anstößt und somit als ein universelles Prinzip aufgefasst werden kann: Das bakterielle Enzym SmrB besteht aus zwei Teilen, von denen einer immer an Ribosomen binden kann. Die Wissenschaftler gehen daher davon aus, dass SmrB auch an normal translatierende Ribosomen andockt und sie mit dem freien Teil quasi abtastet. Aktiviert wird die Nuklease-Aktivität des Enzyms aber erst, wenn zwei Ribosomen zusammenstoßen: „Durch die Kollision wird der Abstand zwischen ihnen so klein, dass der mRNA-Ausgang des steckengebliebenen Ribosoms genau an den mRNA-Eingang des auffahrenden andockt“, sagt Kratzat. „Dann kann SmrB mit beiden Ribosomen interagieren, bindet genau in diesen kleinen Zwischenraum und schneidet die problematische mRNA.“

In der Folge können im nächsten Schritt weitere Mechanismen greifen, die für den endgültigen Abbau der mRNA und ein Recycling der Ribosomen sorgen. „Mit unseren Ergebnissen tragen wir einen wichtigen Schritt zum Verständnis dafür bei, wie Zellen zwischen funktionierenden Ribosomen und solchen, die von problematischer mRNA und potentiell toxischem Protein befreit werden müssen, unterscheiden“, sagt Beckmann. „Die gemeinsame Entdeckung der Kollisionserkennung als universelles Prinzip ist auch ein tolles Ergebnis des Sabbatical Aufenthalts von Rachel Green an der LMU im letzten Jahr.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Roland Beckmann
Genzentrum und Department Biochemie
Tel.: +49-89-218076900
email: beckmann@genzentrum.lmu.de
http://www.beckmann.genzentrum.lmu.de
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04416-7

Originalpublikation:

Kazuki Saito, Hanna Kratzat, Annabelle Campbell, Robert Buschauer, A. Maxwell Burroughs, Otto Berninghausen, L. Aravind, Rachel Green, Roland Beckmann & Allen R. Buskirk: Ribosome collisions induce mRNA cleavage and ribosome rescue in bacteria
Nature 2022
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04416-7

Weitere Informationen:

https://www.lmu.de/de/newsroom/newsuebersicht/news/bakterielle-ribosomen-molekul…