Rhomboid-Proteasen

von Harald Zähringer (Laborjournal-Ausgabe 12, 2004)

Serin-Proteasen, deren katalytische Zentren innerhalb der Lipidoppelschicht von Membranen liegen? Hört sich ziemlich verwegen an. Wo soll denn das Wasser für die Hydrolyse der Peptidbindung herkommen. Darauf weiß man in der Tat noch keine Antwort. Dass es jedoch Serin-Proteasen gibt, die ihren Job im hydrophoben Innern der Membran ausüben, ist spätestens seit dem Jahr 2001 amtlich. Damals berichtete Matthew Freeman vom MRC Laboratorium für Molekularbiologie in Cambridge in einem Cell-Paper, dass Drosophilas Intramembran-Protease Rhomboid 1 den Wachstumsfaktor Spitz innerhalb der Golgimembran hydrolysiert.

Freeman war im Laufe seiner Arbeiten über den EGFR-Signalweg in Drosophila auf die unorthodoxe Protease Rhomboid 1 gestoßen. Dessen Dreh- und Angelpunkt ist der epidermale Wachstumsfaktor-Rezeptor EGFR, der nach Andocken des Wachstumsfaktors EGF das Signal weiterleitet. Zu den EGFR-Liganden gehört auch der Wachstumsfaktor Spitz, dessen Ausfall bei der Entwicklung von Drosophila-Embryos zur Ausbildung eines zugeSpitzten Kopfes führt – daher der Name.

Eigentlich wäre der Name Luftballon viel zutreffender. Denn Spitz kann man sich sehr gut als Ballon vorstellen, dessen Hülle in das Lumen des Golgiapparates hineinragt und der mit einer "Peptidschnur", die durch die Golgimembran hindurchragt, fest in dieser verankert ist. Spitz kann das EGF-Signal aber nur dann auslösen, wenn er sich aus seiner Membranverankerung löst.


Die Protease kappt das Tau...

An dieser Stelle kommt Rhomboid 1 ins Spiel. Rhomboid 1 ist ein integrales Protein der Golgimembran mit nicht weniger als sieben Membrandurchspannenden Domänen. Der Clou an Rhomboid 1 ist, dass offenbar ein Serin, ein Histidin und ein Asparagin, die auf drei seperaten Transmembran-Domänen liegen, eine klassische katalytische Triade formieren, die tatsächlich irgendwie die Membranverankerung von Spitz im Inneren der Membran hydrolysiert. Die lösliche Ballonhülle von Spitz, die die eigentliche EGF-Domäne trägt, kann darauf hin "aufsteigen" und sich auf den weiteren sekretorischen Weg begeben, bis sie schließlich in der Zielzelle an EGFR bindet und die nachgelagerten Signalkaskaden auslöst.

Wie genau die Hydrolyse im hydrophoben Innern der Membran funktioniert, kann man sich noch nicht so recht erklären. Zwar können Wassermoleküle auch in das Membraninnere vordringen, wodurch die Transmembrandomänen von Rhomboid 1 eine wässrige Mikroumgebung aufbauen könnten, aber eine wirklich schlüssige Erklärung liegt bisher noch nicht auf dem Tisch. Die indirekte Beweislast ist indes ziemlich erdrückend: Spitz wird genau an der Stelle geschnitten, wo man das katalytische Zentrum von Rhomboid 1 innerhalb der Membran lokalisiert hat; Serin-Protease-Inhibitoren blockieren die Spitz-Hydrolyse; und der Austausch der Aminosäuren Serin, Histidin und Asparagin der katalytischen Triade, verhindert die Hydrolyse von Spitz ebenfalls.


... in der Membran, ...

Mittlerweile hat man Rhomboidproteasen in fast allen Pro- und Eukaryoten gefunden. Allein in Drosophila sind bisher sieben Rhomboidproteine bekannt. So aktiviert zum Beispiel Rhomboid 2 den EGFR-Signalweg in Keimzellen, während Rhomboid 3 das EGFR-Signal im Auge ins Rollen bringt. Eine ähnliche Funktion bei der interzellulären Signalübertragung hat offensichtlich die Rhomboidprotease AarA in dem Gram-negativen Bakterium Providencia stuartii. AarA ist für die Aussendung eines bisher unbekannten Quorum Sensing-Signals verantwortlich, mit dem Providencia stuartii die Transkription von Genen kontrolliert, die bei der Antibiotikaresistenz zum Einsatz kommen. Erstaunlicherweise reicht die Konservierung der katalytischen Funktion von AarA soweit, dass es Rhomboid 1 in Drosopholia problemlos vertreten kann.

Der Wirkungskreis von Rhomboidproteasen beschränkt sich aber nicht nur auf die interzelluläre Kommunikation. So residiert eines der beiden Rhomboidproteine der Bäckerhefe, Rhomboid 1 oder kurz Rbd1, in der inneren Mitochondrienmembran. Zu seinen Substraten gehört das Dynamin-ähnliche Protein Mgm1, das bei der Teilung und Fusion von Mitochondrienmembranen ein gewichtiges Wörtchen mitredet. Wie der Wachstumsfaktor Spitz, so ist auch Mgm1 mit einer einzigen Membran-durchspannenden Domäne fest mit der Membran vertäut. Rbd1 kappt dieses Tau und entlässt das nun aktive Mgm1 in den Intermembranraum, wo es seinen weiteren Aufgaben entgegenschippert.


... und der Ballon steigt auf

Schwer tut man sich bisher noch mit der Funktion von Rhomboidproteasen in Säugetieren. Zwar hat man über Sequenzvergleiche schnell Rhomboidhomologe in den Genomen von Mensch und Maus gefunden. Und tatsächlich schneidet auch eines der vier nicht-mitochondrialen Rhomboidproteine des Menschen, RHBDL2, Drosophilas Wachstumsfaktor Spitz. Ob Rhomboidproteasen aber im Menschen bei der EGFR-Signalübertragung mit von der Partie sind, ist vorerst noch offen.

Rhomboid-Serin-Proteasen sind jedoch nicht die einzigen Proteasen, die ihr Substrat im Inneren der Membran zerlegen. Auch für zwei weitere der drei anderen Klassen von Proteasen, die in wässriger Umgebung arbeiten, fanden sich bisher Intramembran-Vertreter – Aspartyl-Proteasen und Metalloproteasen. Im Gegensatz zu Rhomboidproteasen sind Intramembran-Aspartyl- oder -Metalloproteasen wie Presenilin oder S2P aber immer darauf angewiesen, dass ihre Substrate schon von einer Protease angeknabbert wurden, bevor sie selbst in Aktion treten.

Einzig in der Klasse der Cystein-Proteasen, zu denen etwa Caspasen gehören, hat man bisher noch keine Intramembran-Varianten ausfindig machen können.



Letzte Änderungen: 11.02.2005