Der Mechanismus von post-ER assozierter Protein Degradation

Die Funktion jeder Zelle hängt davon ab, dass alle Proteine voll einsatzfähig sind. Einzellige Eukaryoten haben ca. 50 Millionen Proteine (Bäcker-Hefe) und menschliche Zellen haben ca. 2 Milliarden Proteine. Bei dieser ungeheuren Anzahl überrascht es nicht, dass manche Proteine im Laufe der Zeit defekt werden. Diese defekten Proteine müssen gezielt abgebaut und entsorgt (degradiert) werden. Wenn das nicht passiert häufen sich defekte Proteine an und werden so giftig, dass die Zellen daran sterben und Krankheiten entstehen. In Zellen von Eukaryoten bauen zwei unterschiedliche Mechanismen Membran-Proteine ab. Die sogenannte Endoplasmatisches Retikulum (ER) assoziierte Degradation (ERAD) markiert mit einen kleinen Molekül, das Ubiquitin heißt, Membran-Protein für den Abbau. Ubiquitinierte Membran- Proteine werden aus dem ER gezogen und dann am Proteasome zerstört. Wenn Membran-Proteine aus dem ER transportiert werden und den Golgi, die Endosomen oder die Plasma-Membran erreichen, werden sie von den endosomal sorting complexes required for transport (ESCRT) in Lysosomen gebracht, wo sie dann verdaut werden. Bisher hat man angenommen, dass es neben ERAD und ESCRT keine anderen selektiven Abbauwege für Membran-Proteine gibt. Wir haben nun mithilfe von Genetik im Modelsystem Bäckerhefe einen neuen Membran-Protein- Abbauweg identifiziert, der auf post-ER Organellen (Golgi, Endosomen) operiert, so wie die dazu benötigten Gene, die molekularen Regulatoren und das erste Substrat. Wir haben dieses neue Protein- Abbau System pERAD (post-Endoplasmatisches Retikulum (ER) assoziierte Degradation (ERAD) genannt. Das erste pERAD Substrat ist ein Protein der ORM Familie und steuert die Biosynthese von Sphingolipiden. Sphingolipide sind essentielle Bausteine für die Membranen von eukaryotischen Zellen. Zellen im menschlichen Körper die übermäßig ORM Proteine produzieren, können nicht mehr genug Sphingolipide bilden und als Folge entwickeln sich entzündliche Erkrankungen wie Diabetes, Colitis ulcerosa, Morbus Crohn and Asthma. Wir gehen davon aus dass pERAD eine zentrale Stellung in der zellulären Membran- und Protein- Homöostase von Eukaryoten einnimmt und daher auch für die wichtige Rolle Vermeidung von Krankheiten spielen könnte. Unsere Entdeckung ist der Ausgangspunkt um pERAD besser zu charakterisieren. In diesem Projekt werden wir zunächst versuchen, mit Bäcker-Hefe als Modelsystem, folgende Fragen zu beantworten: (1) Wie erkennt pERAD seine Substrate (2) wie ist pERAD in zelluläre Qualitätskontrolle eingebunden (3) Wie funktioniert der pERAD Mechanismus. Wir erwarten uns, dass die Resultate unserer Studie ein genaues mechanistisches Konzept zu pERAD liefern, dass sich dann relativ einfach auf Zellen von Pflanzen und von Menschen übertragen lässt.

Unsere Forschung präsentiert einen neuen molekularen Mechanismus, der die subzelluläre Organisation von Zellen aufrechterhält, wobei der sogenannte Golgi-Apparat (kurz Golgi) eine bedeutende Rolle spielt. Es war bereits bekannt, dass der Golgi als Hauptsortierstation für Proteine und Lipide dient. Unsere Arbeit enthüllt nun, dass der Golgi auch eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle der Membranqualität spielt. Wir haben dabei auch den zugrundeliegenden molekularen Mechanismus entdeckt. Am Golgi befindet sich ein Ubiquitin-Ligase-Komplex, bekannt als der Dsc-Komplex, der in der Lage ist zu erkennen, ob Proteine in dieses Organell gehören oder nicht. Verirrte oder verwaiste Proteine werden erkannt und gezielt abgebaut. Auf diese Weise verhindert der Dsc-Komplex die Ausbreitung verwaister Proteine vom Golgi in andere Zellorganellen und bewahrt so die zelluläre Protein- und Lipidzusammensetzung. Wir sind zuversichtlich, dass unsere Ergebnisse das Verständnis der zellulären Qualitätskontrolle vorantreiben - ein entscheidender Bereich in der Pathologie und in der Biologie im Allgemeinen.