In einer Zelle geht es alles andere als geruhsam zu. Dicht gedrängt katalysieren unzählige Proteine vielfältige chemische Reaktionen – oft erst, nachdem sich mehrere Untereinheiten zu einem Komplex zusammengelagert haben. Wie aber gelingt es ihnen, in dem Gedränge die richtigen Partner zu finden? Zwar passen diese in der Regel nach einer Art Schlüssel-Schloss-Prinzip zu- beziehungsweise ineinander. Andererseits sind aber die Faltungsmöglichkeiten eines Proteins – und damit die möglichen Geometrien der Kontaktflächen zweier Proteine – begrenzt. So existieren in der Natur nur etwa tausend verschiedene Faltungstypen und Geometrien – viel zu wenig für die Hunderttausende von möglichen Proteininteraktionen.
Ein Team von Proteinspezialisten aus Regensburg und den USA hat nun in Bakterien kleine Strukturelemente aufgespürt, die eine Lösung dieses Problems darstellen (PNAS, doi: 10.1073/pnas.1707335114). Entlehnt aus der Computersprache prägten sie dafür den Begriff „Add-on“. So wie Add-ons als Zusatzpakete die bestehenden Funktionen einer Software erweitern, fügen Protein-Add-ons einer bestimmten Interaktionsfläche Strukturen hinzu, die die molekulare Erkennung verfeinern. Ein Protein-Add-on verändert also die Fähigkeit eines Proteins, sich mit einem anderen zu verbinden – etwa wie ein zusätzlicher Zinken einen Generalschlüssel in einen speziellen Schlüssel umwandelt.
Warum aber konnte ein so fundamentales Prinzip der Proteininteraktion erst jetzt entdeckt werden? Der Grund ist, dass die Autoren sich bisher vernachlässigte Bereiche der Interaktionsfläche von Proteinkomplexen angeschaut haben. An deren Randbereichen fanden sie schließlich Sequenzmotive, die sicherstellen, dass von Proteinen, von denen mehrere Homologe vorkommen, nur die richtigen miteinander wechselwirken. Bei etwa jedem zehnten von 305 untersuchten bakteriellen Komplexen kam so ein molekulares Zusatzpaket zum Vorschein. Die Add-ons waren im Schnitt 23 Aminosäuren groß und bildeten typischerweise gut definierte sekundäre Strukturelemente wie Alpha-Helices und Schleifen, seltener auch Beta-Stränge.
Als Paradebeispiel dienten den Forschern Glutamin-Amido-Transferase-Komplexe, die aus Glutaminase- und Synthaseuntereinheiten bestehen und einen Teil des Tryptophan- und Folat-Synthesewegs darstellen. Ihre Aufgabe ist es, Ammonium von Glutamin auf ein Akzeptorsubstrat zu übertragen. Die Glutaminase TrpG etwa leitet das bei der Hydrolyse von Glutamin entstandene Ammonium an die Anthranilat-Synthase TrpE weiter, die damit aus Chorismat die Tryptophanvorstufe Anthranilat herstellt. Eine weitere Glutaminase, PabB, liefert das Ammonium dagegen an die zum Folat-Weg gehörende Aminodeoxychorismat-Synthase PabA.
Beide Synthase-Untereinheiten sind homolog zueinander und weisen den gleichen Faltungstyp auf. Woher also wissen sie mit welcher Glutaminase sie interagieren sollen? Hier kommen natürlich die Add-ons ins Spiel: TrpE besitzt eins, PabB dagegen nicht. Dieses Add-on, mit 51 Aminosäuren eines der größten bisher entdeckten, bildet zwei Alpha-Helices, die durch einen Beta-Strang miteinander verbunden sind – und bestimmt damit die Spezifität der Interaktion zwischen der Glutaminase TrpG und der Synthase TrpE.
Durch die Analyse von 15.000 bakteriellen und archaealen Genomen fanden die Wissenschaftler heraus, dass die Anthranilat-Synthase-Untereinheiten einer Bakterienart immer dann Add-ons besitzen, wenn gleichzeitig verschiedene Glutaminasen für den Tryptophan- und den Folat-Syntheseweg vorhanden sind. Existiert dagegen nur eine Glutaminase, die beide Synthase-Untereinheiten bedient, verzichtet die Anthranilat-Synthase auf das Add-on.
Als nächstes testete das Team die gereinigten Enzyme auf ihre Fähigkeit zur Wechselwirkung miteinander. Interessanterweise ließen sich die verschiedenen Untereinheiten über Bakterienfamilien- und Domänengrenzen miteinander koppeln, so lange sie nur in Bezug auf die An- und Abwesenheit der Add-ons zueinander passten. Entfernte man das Add-on einer Anthranilat-Synthase, veränderte dies ihre „Partnerwahl“ und sie bildete mit der Glutaminase, die Synthasen ohne Add-ons erkennt, einen funktionalen Komplex.
Offensichtlich dienen die Add-ons bei den Glutamin-Amidotransferase-Komplexen dazu, Tryptophan- und Folat-Syntheseweg zu trennen. Bei Bakterien, die nur eine Glutaminase und dementsprechend Synthasen ohne Add-ons besitzen, müssen die Stoffwechselwege durch komplexe Regulationsmechanismen getrennt werden. Wurden diese bei Bacillus subtilis gestört, gelang es dem Bakterium nicht mehr, den Ammoniumfluss zwischen beiden Stoffwechselwegen zu kontrollieren. Da die Anthranilat-Synthase bei einer Mutante die gemeinsame Glutaminase weitgehend blockierte, kam deren Folatsynthese zum Erliegen, was mit erheblichen Wachstumseinbußen einherging.
Am Ende bleibt die Frage, wie sich die Add-ons im Verlaufe der Evolution überhaupt entwickeln konnten, da eine Synthase durch ihr „Upgrade“ die Fähigkeit zur Interaktion mit ihrer herkömmlichen Glutaminase verliert. Im Reagenzglas reichten jedoch wenige Mutationen aus, um die Glutaminasen so zu verändern, dass sie sowohl Synthasen mit als auch ohne Add-ons binden konnten. Möglicherweise war solch eine flexible Glutaminase der Ausgangspunkt, der die Entwicklung von Synthasen mit Zusatzpaket ermöglichte.