ZÜRICH: Proteine interagieren in der Regel über Bindemotive mit spezifischer Struktur, die ineinander passen wie Schlüssel und Schloss. Proteine ohne ausgeprägte Sekundärstruktur haben einen anderen Weg der gegenseitigen Anziehung gefunden.
Kommunikation ist überlebenswichtig! Nicht nur in modernen, hochkomplexen Gesellschaften, sondern auch zwischen verschiedenenProteinen einer Zelle. Egal, ob es um Genegulation, Signaltransduktion, Stoffwechselprozesse oder die Dynamik des Zellskeletts geht – immer sind es Proteine, die miteinander wechselwirken und oft durch einen direkten, physikalischen Kontakt Informationen austauschen. Dabei binden sie einander nach dem Prinzip der Komplementarität: Jeder Interaktionspartner besitzt eine Struktur, die genau zu seinem Gegenstück passt – wie ein Schlüssel zu seinem Schloss. Domänen, die miteinander interagieren, zeichnen sich durch eine bestimmte Struktur aus, die in der Aminosäureabfolge festgelegt ist. Zwischen oberflächennahen Aminosäureresten kommtes dann zu nicht-kovalenten Wechselwirkungen durch Van-der-Waals-Kräfte, Wasserstoffbrückenbindungen, elektrostatische Wechselwirkungen und hydrophobe Effekte.
Daneben gibt es Proteine, die im physiologischen Zustand weitgehend ungeordnet vorliegen und trotzdem in der Lage sind, gezielte Protein-Protein-Wechselwirkungen einzugehen. Für diese Proteine interessiert sich Ben Schuler von der Universität Zürich. „Wir untersuchen seit geraumer Zeit solche unstrukturierten Proteine [‚intrinsically disordered proteins‘, IDPs] und ihre Eigenschaften“, erläutert der Biochemiker. „Es ist inzwischen klar, dass ein überraschend großer Anteil von etwa dreißig Prozent der Proteine von Eukaryonten unter physiologischen Bedingungen unstrukturiert vorliegt oder große unstrukturierte Bereiche enthält.“
Wie solche Proteine ohne eine Sekundärstruktur Bindungen eingehen können, zeigten die Schweizer zusammen mit dänischen und US-amerikanischen Wissenschaftlern anhand eines ausgewählten Proteinpaars (Nature 555: 61). Damit deckten sie einen Interaktionsmechanismus auf, der möglicherweise viel weiter verbreitet ist als gedacht.
Bei den beiden Interaktionspartnern handelt es sich um das Linker-Histon H1 und das kernlokalisierte Prothymosin-α. H1 sitzt auf der DNA zwischen den Nukleosomen, der Einheit von DNA und Histon-Oktamer, und reguliert den Kondensationszustand des Erbguts, und damit auch die Genexpression. Wie alle Histone besitzt es einen strukturierten, globulären Kern und flexible, ungeordnete Arme, die stark positiv geladen sind. Mit diesen bindet es über elektrostatische Anziehungskräfte an die negativ geladene DNA. Prothymosin-α ist ebenfalls unstrukturiert und stark negativ geladen. Als Linker-Histon-Chaperon interagiert es mit H1 und erhöht dessen Beweglichkeit auf dem Chromatin, wodurch die Genexpression beeinflusst wird. „Prothymosin-α war einer unserer ersten Kandidaten für ein IDP, da es ein Paradebeispiel für ein sehr stark geladenes und vollkommen unstrukturiertes Protein ist“, so Schuler. „Um seine funktionellen Eigenschaften besser zu verstehen, haben wir vor einigen Jahren begonnen, nach bekannten Bindungspartnern zu suchen und sind dabei auf H1 gestoßen. Nachdem H1 auch weitgehend unstrukturiert ist, hat sich die Frage gestellt, wie die beiden aneinander binden.“
Mit seinem Team untersuchte der Biochemiker den Proteinkomplex mit Hilfe von Einzelmolekül-Fluoreszenz sowie Kernresonanz-Spektroskopie und zeigte damit, dass beide Interaktionspartner auch während der Wechselwirkung ungeordnet bleiben. „Aufgrund der enormen Ladung beider Proteine hätte es mich sehr gewundert, wenn sie einen klassischen, strukturierten Komplex bilden. Dass sich der Komplex als dermaßen unstrukturiert herausgestellt hat, hat mich aber überrascht“, so Schuler. Über eine Einzelmolekül-FRET-Analyse (FRET = Förster-Resonanzenergietransfer), bei der eine Energieübertragung zwischen einem Donor- und einem Akzeptorfarbstoff stattfindet, wenn sich zwei Proteine annähern, konnten die Forscher außerdem nachweisen, dass die Interaktionspartner trotz ihrer ungeordneten Struktur eine ausgesprochen enge Verbindung eingehen. Das scheint insofern sinnvoll, als Prothymosin-α in der Lage sein muss, die starke Bindung von H1 an Chromatin aufzuheben.
Wie aber interagieren die Proteine, wenn sie keine spezifischen Interaktionsflächen besitzen? Bei geladenen Proteinen scheinen elektrostatische Wechselwirkungen möglich, und tatsächlich sinkt die Affinität stark, wenn die Ionenstärke des Mediums erhöht wird. „Es gibt unstrukturierte Proteine, die aneinander binden und dabei einen wohlstrukturierten, gefalteten Komplex bilden“, erläutert Schuler die Forschungsergebnisse. „In anderen Fällen bindet ein gefaltetes Protein ein unstrukturiertes und das unstrukturierte Protein kann dabei entweder eine Struktur annehmen oder unstrukturiert bleiben. Eines ist jedoch allen diesen bisher beschriebenen Mechanismen gemeinsam: Die Bindung erfolgt über strukturierte Bindungstaschen oder Kontaktflächen, in denen wohldefinierte Teile der Proteine interagieren. Dies ist im Fall von H1 und Prothymosin-α anders: Die beiden ‚tanzen‘ letztlich im elektrostatischen Feld des Bindungspartners umeinander, ohne dabei atomar definierte Interaktionen einzugehen.“ Es sind also die positive Ladung von H1 und die negative Ladung von Prothymosin-α, die sich anziehen und die starke Bindung ermöglichen.
Die unstrukturierten Proteine H1 und Prothymosin-α haben keine Sekundärstrukturen, mit denen sie interagieren könnten. Stattdessen tanzen sie im elektrostatischen Feld ihres Bindungspartners umher und verändern dabei in Sekundenbruchteilen ihre räumlichen Strukturen. Foto: Dancing Beethoven
Hohe Affinitäten zwischen zwei Bindungspartnern bedeuten in der Regel, dass diese sich schlecht voneinander ablösen lassen. Eine solch stabile Bindung verhindert aber eine schnelle Regulation, wie sie für Prothymosin-α beschrieben ist. „Bei klassischen Bindungsreaktionen zwischen Biomolekülen gibt es relativ hohe Aktivierungsbarrieren“, erklärt Schuler. „So müssen beispielsweise zwei gefaltete Proteine, die über wohldefinierte Bindungsstellen miteinander wechselwirken, erst die richtige relative Orientierung finden, bevor sie letztlich ‚einschnappen‘. Dieses ‚Einschnappen‘ erfordert typischerweise eine Anpassung der lokalen Strukturen der Bindungsstellen und eine Verdrängung von Wassermolekülen. Diese Barriere verlangsamt die Bindung, führt aber auch dazu, dass die beiden Moleküle nicht so leicht wieder dissoziieren können.“
Laut Schuler sind diese Barrieren bei H1 und Prothymosin-α jedoch nicht oder nur gering vorhanden: „Wenn sich die beiden Moleküle einander nähern, ziehen sie sich elektrostatisch zunehmend an und können ausgehend von praktisch jeder Orientierung den Bindungsprozess starten, weil jedes Segment des negativ geladenen Prothymosins mit jedem anderen Segment des positiv geladenen Histons wechselwirken kann. Einmal in Kontakt getreten, gleiten die beiden Moleküle praktisch ungehindert in einen Zustand, der im zeitlichen Mittel die elektrostatischen Wechselwirkungen maximiert.“ Im Endeffekt ist die Bindungsgeschwindigkeit nur durch die Diffusion der beiden Partner begrenzt, und diese können aus ihrem gebundenen Zustand auch wieder leicht „entwischen“, wie Schuler verdeutlicht. Außerdem könnte die ungewöhnliche Flexibilität des Protein-Protein-Komplexes den Zugang von Enzymen vereinfachen, die posttranslationale Modifikationen an das Histon H1 anhängen.
Auch wenn das untersuchte Beispiel wohl extrem ist, so gibt es doch viele intrinsisch ungeordnete Proteine in einer eukaryontischen Zelle, die geladene Abschnitte besitzen und auf ähnliche Weise miteinander, beziehungsweise mit anderen Proteinen interagieren könnten. Schuler: „Wir untersuchen bereits weitere Beispiele, die sich ähnlich verhalten, und eine Bioinformatikanalyse zeigt, dass es allein beim Menschen hunderte ähnlich stark geladener unstrukturierter Proteine gibt, die möglicherweise solche Wechselwirkungen eingehen. Analoge Wechselwirkungen gibt es wohl auch von positiv geladenen Proteinen mit Nukleinsäuren, die wie Prothymosin-α letztlich auch stark negativ geladene Polymere sind. Viele DNA-bindende Proteine enthalten übrigens lange, positiv geladene und unstrukturierte Schwänze, die sicher zur Bindung beitragen.“
Wenn dieser Tanz der Proteine nicht selten ist, stellt sich allerdings die Frage, warum er bisher noch nicht nachgewiesen wurde. Schuler räumt ein, dass es sich um einen exotischen Mechanismus handeln könnte, vermutet aber, dass dies nicht so sei. „Um die Frage nach der Häufigkeit halbwegs sicher einschätzen zu können, müssen wir noch ein paar Jahre weiterforschen. Als Reaktion auf unsere Ergebnisse haben wir von einigen Leuten gehört, die zufällig Hinweise auf möglicherweise verwandte Wechselwirkungen beobachtet haben, sie aber als irrelevant oder als mögliches Artefakt eingestuft haben. Als Wissenschaftler sind wir in dem, was wir untersuchen, doch immer stark durch unser Vorwissen oder unsere vorgefasste Meinung geprägt. Meine Vermutung ist deshalb, dass dieser Wechselwirkungsmechanismus häufiger auftauchen wird.“
Da die Bindung über sich anziehende Ladungen nicht sehr spezifisch ist, muss es andere Regulationsmechanismen geben. „Ich glaube, dass wir in diesem Kontext anders über Spezifität nachdenken müssen als traditionell üblich“, ist Schuler überzeugt. „Wir wissen bereits, dass sowohl H1 als auch Prothymosin-α mit anderen stark geladenen, biologischen und synthetischen Polymeren wechselwirken können. Zwar ist die Affinität zwischen H1 und Prothymosin-α besonders hoch, aber die Bindung von H1 ans Nukleosom ist zum Beispiel noch höher.“
Schuler vermutet, dass die Fähigkeit, nicht spezifisch mit einem Bindungspartner sondern mit mehreren interagieren zu können, ein wichtiger Aspekt der Funktion der untersuchten Proteine sein könnte. Eine gewisse Spezifität könne aber durch eine räumlich koordinierte oder im Laufe der Entwicklung gleichzeitige Genexpression zustande kommen. „Wahrscheinlich ist es kein Zufall, dass sowohl H1 als auch Prothymosin-α hauptsächlich im Zellkern vorkommen. Ich bin aber sicher, dass es da noch die eine oder andere Überraschung geben wird.“