Wie sich Ribosomen reparieren

Die genaue Kenntnis über den Aufbau und die Arbeitsweise des Ribosoms, einem der Hauptangriffsorte für antibakterielle Wirkstoffe, ist für die Antibiotikaforschung von großer Bedeutung.

Ribosomen sind die „Eiweißfabriken“ in den Zellen aller Lebewesen. An ihnen werden die Proteine anhand des vorgegebenen genetischen Codes, der auf speziellen Nukleinsäuremolekülen, den messenger-RNAs (mRNA), zwischengespeichert ist, hergestellt. Die messenger-RNAs werden vom Ribosom abschnittsweise abgelesen. Definierte Start- und Stopp-Signale auf der mRNA steuern diesen Prozess. Fehlt ein Stopp-Signal, kann die Proteinbildung nicht abgeschlossen werden, und das Ribosom ist in seiner Funktion blockiert.

Ein bakterielles Ribosom kann eine solche Blockade überwinden. Im Zentrum dieses Reparaturvorgangs, Trans-Translation genannt, steht ein weiteres Nukleinsäuremolekül (tmRNA), das sowohl Eigenschaften der mRNA als auch einer weiteren Nukleinsäure, der transfer-RNA (tRNA), in sich vereint. Die tRNA vermittelt bei der Proteinbiosynthese die richtige Aminosäure zur entsprechenden Gen-Sequenz auf der mRNA. Dem tmRNA-Molekül gelingt es nun, das fehlende Stopp-Signal in das Protein einzuschleusen und so die Blockade aufzuheben. Bislang war unklar, wie genau sich dieses große tmRNA-Molekül durch das Ribosom bewegt und seine Information in den mRNA-Kanal des Ribosoms einschleusen kann.

Dieser Prozess konnte nun erstmals mittels der Kryo-Elektronenmikroskopie dokumentiert werden. Diese Methode bietet die Möglichkeit, räumliche und zeitliche Interaktionen zwischen den Einzelkomponenten von Makromolekülen zu untersuchen. Die Ribosomen werden dabei in flüssigem Ethan bei –192° Celsius schockgefroren und mehrere hunderttausend zweidimensionale Einzelbilder in eine dreidimensionale Rekonstruktion zurückprojiziert. Auf diese Weise konnte ein Einblick in einen zentralen Schlüsselschritt des Zusammenspiels zwischen Ribosom, tmRNA, einem speziellen Protein (SmbP) und dem Elongationsfaktor G gewonnen werden. Der mRNA-Kanal, in den die tmRNA die fehlenden Informationen einschleusen muss, verläuft mitten durch das Ribosom zwischen den sogenannten Kopf- und Körperdomänen der kleinen ribosomalen Untereinheit. Die Strukturanalyse hat gezeigt, dass die Kooperation zwischen Ribosom und tmRNA für den Reparaturfall nur auf Grundlage einer Konformationsänderung, d. h. einer kurzfristigen und unerwartet großen räumlichen Änderung der Kopfdomäne des Ribosoms möglich ist.

Literatur: Ramrath, D., et al.: Nature 2012; Online: doi:10.1038/nature11006