Ordnung am Ribosom — der multifunktionale Komplex NAC

248 W I S S EN S CH AFT Proteinbiosynthese Ordnung am Ribosom – der multifunktionale Komplex NAC KARINA GENSE, MARTIN GAMERDINGER MOLEKULARE MIKROBIOLOGIE, FACHBEREICH BIOLOGIE, UNIVERSITÄT KONSTANZ Newly synthesized proteins are processed by a variety of ribosomeassociated factors that regulate cotranslational protein folding, transport and degradation. How these competing factors gain regulated and timely access to ribosomes and specific nascent substrates is poorly understood. Recent studies identified a key factor in eukaryotes that coordinates multiple cotranslational events at the ribosomal tunnel exit – the nascent polypeptide-associated complex (NAC). DOI: 10.1007/s12268-020-1367-5 © Die Autoren 2020 ó In allen Organismen synthetisieren Ribosomen im Cytoplasma der Zelle neue Proteine. Bei diesem als Translation bezeichneten Prozess wird die Nukleotidsequenz eines mRNA-Moleküls in die codierte Aminosäurensequenz eines Polypeptids übersetzt, um ein Protein zu bilden. Die wachsende Polypeptidkette wandert zunächst durch einen engen Tunnel der großen 60S-Ribosomenuntereinheit, bevor sie mit einer Länge von 35–40 Aminosäuren das Cytoplasma erreicht (Abb. 1). Dort angekommen, muss die noch lang gestreckte Polypeptidkette sich in die richtige dreidimensionale Struktur falten und zu ihrem subzellulären Wirkungsort gelangen. Die korrekte Faltung und Lokalisierung neu synthetisierter Proteine wird durch verschiedene Proteinbiogenesefaktoren gesteuert, die dynamisch an den ribosomalen Tunnelausgang binden (Abb. 1, [1]). Die direkte Ribosomenbindung ermöglicht es diesen Faktoren, zum frühestmöglichen Zeitpunkt und noch während der laufenden Proteinsynthese auf ihre Substrate einzuwirken. Sie erkennen spezifisch naszierende Polypeptidsubstrate, unterstützen ihre Faltung direkt im Cytoplasma und lenken ihren ko-translationalen Transport zu Zellorganellen wie dem endoplasmatischen Reticulum (ER) oder den Mitochondrien. Viele der Ribosomen-assoziierten Faktoren konkurrieren um Bindungsstellen am Tunnelausgang, und es ist nicht gut verstanden, wie sie präzise und schnell ihre Substrate auswählen. Jüngste Studien weisen auf einen übergeordneten Faktor in Eukaryoten hin, der ordnend am Tunnelausgang wirkt und andere Proteinbiogenesefaktoren bei der Substratfindung entscheidend unterstützt – der nascent polypeptide-associated complex (NAC). ˚ Abb. 1: Auswahl einiger konkurrierender Proteinbiogenesefaktoren in Eukaryoten, die ko-translational an den ribosomalen Tunnelausgang und Substrate binden. PTC: Peptidyltransferase-Zentrum; tRNA: TransferRNA; MAP: Methionin-Aminopeptidase; NAT: N-Acetyltransferase; RAC: ribosome-associated complex; NAC: nascent polypeptide-associated complex; SRP: signal recognition particle; SR: SRP-Rezeptor; Sec61: ER-Translokon-Komplex. Nascent polypeptide-associated complex (NAC) Einer der Hauptfaktoren in Eukaryoten, der transient mit Ribosomen interagiert, ist der hochkonservierte und ubiquitär exprimierte Proteinkomplex NAC [2]. Der heterodimere Komplex besteht aus einer α- und einer β-Untereinheit, welche über ihre homologen NAC-Domänen dimerisieren und eine β-Fassähnliche Struktur bilden (Abb. 2). Die Deletion des NAC-Gens führt zu embryonaler Letalität bei Metazoen, was auf eine grundlegende Haushaltsfunktion in der Proteinbiogenese hinweist. Interessanterweise ist NAC im Vergleich mit anderen Ribosomen-assoziierten Faktoren in sehr hoher Konzentration in der Zelle vorhanden, vergleichbar mit der Konzentration der Ribosomen, was auf ein sehr breites Substratspektrum schließen lässt [1]. Die Ribosomenbindung von NAC ist sehr ungewöhnlich. Der Komplex bindet über die flexiblen N-terminalen Domänen und stellt mehrere alternative Kontakte am Tunnelausgang her (Abb. 2, [3]). Geladene Sequenzmotive in den N-terminalen Domänen interagieren zudem miteinander und regulieren dadurch die Ribosomenbindung von NAC, vermutlich in Abhängigkeit vom jeweiligen Polypeptidsubstrat, das den Tunnelausgang verlässt. Die außergewöhnlichste Eigenschaft von NAC ist jedoch seine Bindung tief im Inneren des ribosomalen Tunnels. Ist dieser nicht von einem Substrat besetzt, fügt NAC die flexible N-terminale Domäne seiner β-Untereinheit bis in die Nähe des Peptidyltransferase-Zentrums des Ribosoms ein, wo Aminosäuren zu Peptiden verknüpft werden (Abb. 2B, links). Die flexible NAC-Domäne kontaktiert also eine wachsende Polypeptidkette schon bei der Entstehung und begleitet sie zum Tunnelausgang, wo NAC eine alternative Bindung an der Oberfläche der Ribosomen eingeht (Abb. 2B, rechts). Diese Fähigkeit ist einzigartig unter den Ribosomen-assoziierten Proteinbiogenesefaktoren und weist darauf hin, dass NAC sämtliche neu synthetisierten Proteine als erster Faktor bindet. Angesichts all dieser Eigenschaften wird vermutet, dass NAC am Tunnelausgang BIOspektrum | 03.20 | 26. Jahrgang 249 substratspezifische Konformationen annimmt, um Polypeptidsubstrate in verschiedene Biogenese- und Transportpfade zu leiten, wie nachfolgend beschrieben. Proteintransport Der Proteintransport zu Zellorganellen wie dem ER erfolgt ko-translational, indem die translatierenden Ribosomen gezielt zu den Translokationsporen der Organellen gebracht werden. Der Transport zum ER wird über das signal recognition particle (SRP) vermittelt, das spezifisch an hydrophobe Signalsequenzen in Polypeptidketten und an das Ribosom selbst bindet [4]. Nach der Substratbindung interagiert SRP mit dem SRP-Rezeptor (SR), der sich an der ER-Membran befindet und das Ribosom auf den Porenkomplex Sec61 überträgt. SRP und Sec61 binden selektiv hydrophobe Signalsequenzen in ER-Substraten, zeigen aber generell auch eine hohe intrinsische Bindungsaffinität zu Ribosomen, die unabhängig vom synthetisierten Substrat ist. Für eine hohe Transportspezifität ist es daher notwendig, unspezifische Ribosomenkontakte der Transportfaktoren zu unterdrücken, was über den NAC geschieht (Abb. 2B, links) [1, 5]. NAC blockiert wichtige Bindungsstellen für SRP und Sec61 am Tunnelausgang der Ribosomen, die keine ER-Proteine synthetisieren. In Abwesenheit von NAC sind diese Bindungsstellen frei, was zu unspezifischen SRP- und Sec61-Interaktionen und damit zu fehlerhaftem ER-Proteintransport führt. Wie in einer Studie beim Fadenwurm Caenorhabditis elegans gezeigt wurde, führt der Knock-down von NAC insbesondere zu einer Fehllokalisierung von mitochondrialen Proteinen im ER-Lumen mit fatalen Folgen für die Proteinhomöostase in beiden Organellen [5]. Diese Studien belegen, dass NAC die Substratauswahl von anderen Ribosomen-assoziierten Faktoren entscheidend beeinflusst, wofür seine einzigartige Fähigkeit, Substrate bereits im ribosomalen Tunnel und damit als erster Faktor zu binden, notwendig zu sein scheint. Dies wurde anhand einer NAC-Mutante gezeigt, die nicht im Tunnel binden und unspezifische Ribosom-Sec61-Interaktionen nicht mehr inhibieren kann [3]. Die berechtigte Frage, wie NAC reagiert, wenn ein Ribosom ein ERSubstrat synthetisiert, ist nicht abschließend (...truncated)