Mechanismen des Proteinimports in das humane endoplasmatische Retikulum

470 W I S S EN S CH AFT Expert‘s view: Proteinbiogenese Mechanismen des Proteinimports in das humane endoplasmatische Retikulum RICHARD ZIMMERMANN MEDIZINISCHE BIOCHEMIE UND MOLEKULARBIOLOGIE DES SAARLANDES, HOMBURG In human cells, one third of all polypeptides enter the secretory pathway at the ER. This process involves N-terminal signal peptides or internal transmembrane helices in the precursors and one hundred cytosolic and ER proteins, which facilitate their ER import or processing. In the past fifty years four pathways for targeting of precursors to the Sec61 channel plus various allosteric channel effectors and supporting or stand alone membrane protein insertases were characterized by the field. DOI: 10.1007/s12268-022-1797-3 © Der Autor 2022 ó Zellen sind grundsätzlich von mindestens einer Membran, der Plasmamembran umgeben und weisen neben dem Cytosol, das einen Hauptort der Proteinsynthese darstellt, weitere Membranen und wässrige Kompartimente auf. So enthalten Gram-negative Bakterien neben der inneren oder Plasmamembran ein Periplasma sowie eine äußere Membran. Die kernhaltigen humanen Zellen zeichnen sich durch eine weitaus größere Zahl von wässrigen Kompartimenten aus, die von mindestens einer Membran umgeben sind und – in Analogie zur Unterteilung des A B menschlichen Körpers in Organe – Zellorganellen genannt werden. Für beide Zelltypen gilt in ähnlicher Weise, dass alle Proteine, die an cytosolischen Ribosomen synthetisiert werden und ihren Wirkort nicht im Cytosol haben, entweder in eine Membran integriert oder durch zumindest eine Membran hindurch transportiert werden müssen, um an ihren jeweiligen Wirkort zu gelangen. Daher stellen sich im Rahmen der Proteinbiogenese für jedes nicht cytosolische Protein die Fragen nach den Mechanismen der Zielsteuerung (Targeting) und der Membranintegra- C tion bzw. des Membrantransports. Aufgrund der höheren Komplexität der humanen gegenüber der Gram-negativen Zelle sind die Fragen nach der Zielsteuerung in der humanen Zelle zwangsläufig ungleich komplexer als in der bakteriellen Zelle. Das endoplasmatische Retikulum (ER) der kernhaltigen humanen Zellen nimmt in diesem Zusammenhang eine Schlüsselstellung unter den Zellorganellen ein (Abb. 1A). Hier beginnt, wie von George Palade in den 1950er-Jahren entdeckt, nicht nur die Biogenese der sekretorischen Proteine, sondern – wie wir heute wissen – auch die Biogenese für etwa ein Drittel des jeweiligen zellulären Proteoms, d. h. circa 10.000 verschiedene Proteine. So werden auch die Proteine der Membranen und des wässrigen Lumens von ER, ER-Golgi-Zwischenkompartiment (ERGIC), Golgi, Endosomen, Lysosomen und sekretorischen Vesikeln sowie manche Proteine der Kernhülle, Peroxisomen, Lipidtropfen (Lipid Droplets) und sogar einige mitochondriale Proteine im Verlauf ihrer Biogenese an die ER-Membran dirigiert und anschließend in diese Membran integriert oder durch diese Membran transportiert. Mit Ausnahme der ER-residenten Proteine gelan- D ˚ Abb. 1: Struktur des endoplasmatischen Retikulums (ER). A, ER nach Import von grün fluoreszierendem Protein in das ER von lebenden adhärenten Meerkatzenzellen (fluoreszenzmikroskopische Aufnahme von Peter Lipp, Zellbiologie, Universität des Saarlandes, Homburg). Die Zahlen charakterisieren den Konzentrationsgradienten für freies Calcium zwischen Cytosol und ER-Lumen in einer ruhenden humanen Zelle. B, raues ER in Form von vom Autor isolierten und fixierten rauen Mikrosomen aus Hundepankreas (elektronenmikroskopische Aufnahme von Volker Herzog, Zellbiologie, LMU München). C, Teilbereich des rauen ER von HeLa-Zellen (Kryoelektronentomogramm von Stefan Pfeffer, MPI für Biochemie, Martinsried). Das ER ist gelb coloriert, 80S-Ribosomen sind blau eingefärbt. D, 3D-Ausdruck des Komplexes aus einem 80S-Ribosom mit kleiner (gelb) bzw. großer (blau) Untereinheit, der ER-Membran (grau) und dem Translokon aus Sec61 (verdeckt durch die Membran), TRAP (grün) und Oligosaccharyltransferase (rot) nach Kryoelektronentomografie von rauen Mikrosomen (Stefan Pfeffer, MPI für Biochemie, Martinsried). BIOspektrum | 05.22 | 28. Jahrgang 471 gen die neu synthetisierten Proteine durch vesikulären Transport an ihren jeweiligen Wirkort in endo- oder exozytotisch aktiven Organellen oder auf der Zelloberfläche (d. h. in Plasmamembran oder Extrazellularraum) bzw. werden als Bestandteile neu gebildeter Peroxisomen oder Lipidtropfen abgeschnürt oder an die Mitochondrien mittels eines ER-SURF getauften Reaktionswegs weitertransportiert. Eine der Schlüsselbeobachtungen von George Palade und Keith Porter sowie in der Folge ihrer Kollegen David Sabatini und Günter Blobel war, dass an der ER-Membran Ribosomen gebunden sind, die offensichtlich mit der Synthese von sekretorischen Proteinen beschäftigt sind (Abb. 1B, C und Abb. 2, [1, 2]). Dies führte nach der Etablierung eines ersten zellfreien Systems zum Studium des ER-Proteinimports im Jahr 1975 durch Günter Blobel und Bernhard Dobberstein (bestehend aus Weizenkeimlysat und Pankreasmikrosomen) schließlich zur Signalhypothese, die den ER-Proteinimport in ersten Grundzügen beschrieb und Günter Blobel im BIOspektrum | 05.22 | 28. Jahrgang Jahr 1999 den Nobelpreis für Medizin bescherte [3, 4]. Die Signalhypothese beinhaltet, dass N-terminale Signalsequenzen oder Signalpeptide in den naszierenden Vorstufen sekretorischer Proteine enthalten sind, die die Zielsteuerung dieser naszierenden Polypeptidketten zusammen mit den jeweiligen Ribosomen an die ER-Membran und somit auch den an die Translation gekoppelten ER-Import der Polypeptidketten gewährleisten. Entsprechend wurde der Mechanismus als cotranslationaler Transport definiert, mit dem die proteolytische Abtrennung der jeweiligen Signalsequenz durch eine Signalpeptidase einhergeht. Nachdem Gottfried Schatz und Walter Neupert auf der Basis von Experimenten an Schimmelpilzzellen sowie zellfreier Systeme (bestehend aus Retikulozytenlysat und Mitochondrien aus Pilzzellen) unabhängig von einander beschrieben, dass die Vorstufen mitochondrialer Proteine zunächst im Cytosol akkumulieren, bevor sie in Mitochondrien importiert werden, war der posttranslationale Proteintransport definiert und die erste große Kon- troverse im Bereich des intrazellulären Proteintransports formuliert. Daran war ich als Diplomand im Neupert-Labor beteiligt. In den folgenden Jahren drehte sich die Frage nach der Biogenese aller möglicher Proteine vor allem darum, ob der Mechanismus des Transports in das jeweilige Zellorganell co- oder posttranslational erfolgt. Wobei es sich durchaus nicht um eine semantische, sondern um eine mechanistische Frage handelt, nämlich nach der treibenden Kraft des Transports. In den 1980er-Jahren wurden durch biochemische Untersuchungen in den Labors von Günter Blobel und Bernhard Dobberstein erste Komponenten des ER-Proteinimports in Mammalia entdeckt. Dabei handelte es sich um das cytosolische Signalerkennungspartikel oder SRP und seinen Rezeptor in der ER-Membran (SR (...truncated)