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07. September 2022

Nanomaschine hält Zellkraftwerke gesund

Die Mitochondrien sind die Kraftwerke unserer Zellen und versorgen den gesamten Körper mit Energie. Wenn sie nicht richtig arbeiten, entstehen Krankheiten wie Diabetes, Krebs oder Parkinson. Forschende am Biozentrum der Universität Basel und am Paul Scherrer Institut erlangten nun neue Einblicke in die Arbeitsweise einer Nanomaschine, welche die Zellkraftwerke intakt und gesund hält.

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Architektur der Nanomaschine LonP1, welche die Mitochondrien in der Zelle schützt und gesund hält.

Jede einzelne Zelle unseres Körpers beherbergt hunderte winziger Kraftwerke, die Mitochondrien, die die Energie für unseren Körper herstellen, sei es zum Laufen, Verdauen oder Nachdenken. Als Nebenprodukt fallen dabei unvermeidlich gefährliche Sauerstoffradikale an, die zu Schäden an Proteinen, dem Erbgut und damit den Zellkraftwerken selbst führen.

Damit die Mitochondrien dennoch gesund und leistungsfähig bleiben, verfügen sie über eine Reihe von Schutzmechanismen. Mithilfe der Nanomaschine LonP1 ziehen sie beispielsweise die defekten Proteine aus dem Verkehr. Forschende unter der Leitung von Prof. Jan Pieter Abrahams am Biozentrum der Universität Basel und am Paul Scherrer Institut haben diese Nanomaschine nun erstmals bei der Arbeit beobachtet. Die Studie erschien nun im Fachjournal «Structure».

Zellulärer Stromausfall durch defekte Proteine

Defekte Proteine führen zu Schäden an den Mitochondrien und blockieren die Energiegewinnung, mit fatalen Folgen für die Zelle. LonP1 schützt die Mitochondrien, indem es solche Proteine zügig entfernt. Dass Störungen von LonP1 zum Zelltod führen und mit so vielfältigen Krankheiten wie Epilepsie, Krebs und Muskelerkrankungen und Sehstörungen zusammenhängen, unterstreicht dessen Bedeutung für den gesamten Organismus.

Die atomare Struktur von LonP1 und wie es arbeitet, haben die Forschenden mithilfe hochauflösender Kryo-Elektronenmikroskopie herausgefunden. «Dazu haben wir das Protein in verschiedenen Zuständen schockgefroren und die vielen aufgenommenen 3D-Bilder zu einem Film zusammengefügt», erklärt Abrahams «Um zu sehen wie die Maschine funktioniert, reicht ein einzelner Schnappschuss nicht aus. Schliesslich kann man anhand eines einzigen Fotos auch nicht herausfinden, wie ein Pferd läuft.»

Tauziehen um Proteinschnur

Die Nanomaschine besteht aus ringförmig angeordneten Bauteilen, die das zu beseitigende Protein erkennen, entfalten und in einen grossen Hohlraum einfädeln, wo es in seine Einzelteile zerlegt wird. «LonP1 räufelt ein verknäueltes Protein am losen Ende auf und zieht den losen Strang wie beim Tauziehen durch ständiges Nachgreifen ins Innere», erklärt Erstautor Inayathulla Mohammed. «Da LonP1 die aufgedröselten Proteinabschnitte festhält, können sie nicht mehr zurückgleiten und sich erneut verheddern. Möglich wird dies durch energieabhängige Umlagerungen innerhalb LonP1-Struktur.» 

Funktionstüchtige Nanomaschine – gesunde Mitochondrien

Dieser auch als «Ratschen-Mechanismus» bekannte Vorgang spielt eine wichtige Rolle in der Natur, denn er macht aus ungeordneten Bewegungen einen gerichteten Transport. «Das Wissen um die Arbeitsweise hilft uns besser zu verstehen, wie es möglich ist, dass LonP1 ein so breites Aufgabenspektrum übernehmen kann und warum es für den Schutz und die Gesundheit der Mitochondrien so wichtig ist.»

Originalpublikation:
Inayathulla Mohammed, Kai A. Schmitz, Niko Schenck, Timm Maier and Jan Pieter Abrahams. Catalytic cycling of human mitochondrial Lon protease. Structure, published online 1. September 2022

Kontakt: Kommunikation, Katrin Bühler