Molekulare Mechanismen der Proteintranslokation durch Sec

Lebende Organismen sind aus Zellen aufgebaut, die sowohl von Membranen umschlossen sind, als auch Membranen enthalten. Diese Membranen bestehen aus Lipiden. Proteine stellen eine andere wichtige Klasse biologischer Moleküle dar. Sie sind dafür verantwortlich, alle lebenswichtigen biochemischen Prozesse in der Zelle aufrechtzuerhalten. Viele dieser Proteine müssen durch eine Membran transportiert oder in eine Membran eingebaut werden, weshalb letztere auch Membranproteine genannt werden. Diese Aufgaben werden von besonderen Membranproteinen übernommen, den Translocons, die spezielle Kanäle in den Membranen bilden. In diesem Projekt wollen wir die molekularen Mechanismen des Translokationsprozesses verstehen. Insbesondere würden wir gerne wissen, wie der Kanal entscheidet, ob ein gegebenes Protein durch die Membran geschleust oder in sie integriert wird. Ein weiteres Problem besteht darin, dass viele Proteine, die durch Membranen geschleust werden müssen, geladene Aminosäuren enthalten, also geladene Gruppen tragen. Da derartige Gruppen normalerweise von Membranen abgestoßen werden, stellt sich die Frage, wie das Translocon mit diesen Fällen umgeht. In dem Projekt werden diese Fragen mit Hilfe von Computermodellen eines Translocons angegangen, das sich in den Membranen von Bakterien befindet (dem sogenannten SecY). Die Struktur dieses bakteriellen Kanals wird einer frei zugänglichen Proteindatenbank entnommen. Dann wird das Translocon mit Hilfe spezieller Softwarepakete in eine simulierte Membran gesetzt und die Bewegung aller seiner Atome modelliert, um so die Funktion des Kanals nachzuahmen. Zusätzlich führen unsere Kooperationspartner experimentelle Untersuchungen des Translokationsprozesses durch. Da ähnliche Kanäle auch in menschlichen Zellen vorkommen, erwarten wir wichtige Erkenntnisse über die Arbeitsweise des Translocons, die zukünftig die Grundlage medizinischer Anwendungen werden könnten.

Ungefähr ein Drittel aller Proteine wird entweder durch biologische Membranen geschleust (sezerniert, Sekretion) oder in Membranen integriert. Eines der Systeme, die sowohl die Sekretion (Translokation) als auch die Integration in Bakterien ausführen können, ist der SecYEG-Kanal, der auch als Translocon bezeichnet wird. Das Translocon bildet eine Pore in der Membran, die ungefähr die Form einer Sanduhr besitzt mit einer als Porenring (pore ring) bezeichneten Verengung in der Mitte ("Nadelöhr") und einem seitlichen Ausgang in die Membran (Seitenöffnung, lateral gate). Im inaktiven Zustand wird der Kanal an der Außenseite durch die sogenannte Plug-Domäne ("Pfropfen") verschlossen. Für die medizinische Forschung ist das bakterielle Translocon sowohl für die Entwicklung anti-bakterieller Wirkstoffe als auch als Modell für entsprechende Kanäle im menschlichen Körper von Interesse. In unserem Projekt haben wir SecYEG mittels molekulardynamischer Simulationen und elektrostatischer Rechnungen untersucht, um mehr über die physikalischen Mechanismen der im Kanal ablaufenden Prozesse zu lernen. Die Schlüsselergebnisse sind: (i) Hydrophobe Kräfte, die im Allgemeinen für die Proteinfaltung verantwortlich sind, tragen auch zur Abdichtung des Kanals bei, indem sie die Plug-Domäne an den Porenring binden. (ii) Um den Kanal für die Translokation zu öffnen - was insbesondere bedeutet, die Plug-Domäne aus dem Transportweg des Proteins zu entfernen - müssen diese Kräfte überwunden werden. Dies wird durch die Bindung der Signalsequenz des zu transportierenden Proteins (eine Art "Adressaufkleber") an das lateral gate und die Umordnung bestimmter Strukturelemente des Kanals - sogenannter -Helices, die die Membran durchziehen - erreicht. Die strukturelle Umordnung wird durch die reversible Bindung eines Translokationspartners - des SecA-Proteins - an SecYEG eingeleitet, wobei Energie in Form der zellulären Energiewährung ATP verbraucht wird, und resultiert in der Öffnung der Plug-Domäne. (iii) Das elektrochemische Potential über die Membran hat einen Einfluss auf die Helixanordung und kann im Prinzip den Kanal in Abwesenheit von SecA offenhalten. Wir vermuten, dass dieser Effekt für Ionenströme verantwortlich ist, die in Experimenten infolge einer Änderung des Membranpotentials beobachtet werden. (iv) Geladene Gruppen im transportierten Protein werden wahrscheinlich entladen, wenn sie ins Innere des Kanals vordringen. Um die elektrostatischen Rechnungen zu optimieren, haben wir die dielektrischen Eigenschaften eines Modellproteins und anderer Substanzen analysiert, indem wir spektroskopische Daten durch Anwendung der in der Physik bekannten Kramers-Kronig-Relationen transformiert haben. Nebenprodukte dieser Forschung waren eine mathematisch fundierte Implementierung der Kramers-Kronig-Relationen und ihre Anwendung zur Analyse der physikalischen Eigenschaften sogenannter implantierter Antennen, die eine wichtige Rolle in der medizinischen Diagnostik spielen. Ein weiteres Nebenprodukt des Projekts war grundlegende theoretische Forschung zur Aggregation von Detergenzmolekülen in Mizellen, was wie die Öffnung der Plug-Domäne von SecYEG ein Prozess ist, der von hydrophoben Kräften abhängt.