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13.09.2018
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Röntgenanalyse enthüllt unerwartete Form von Gerüstprotein

Untersuchung an DESYs Röntgenquelle PETRA III liefert L-förmiges Strukturmodell

An DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III haben Strukturbiologen eine überraschende Form eines sogenannten Gerüstproteins biologischer Zellen entdeckt. Das Gerüstprotein mit der Bezeichnung PDZK1 besteht aus vier PDZ-Domänen, drei Verbindern und einem C-terminalen Ende. Während Bioinformatik-Analysen nahelegen, dass die vier PDZ-Domänen wie Perlen auf einer Schnur angeordnet sind und sich sehr flexibel bewegen können, zeigen die Röntgenuntersuchungen nun dagegen, dass PDZK1 eine relativ fest definierte und nur wenig flexible L-Form besitzt. Das Team um Christian Löw vom Hamburger Strukturbiologiezentrum CSSB (Centre for Structural Systems Biology) und Dmitri Svergun von der Hamburger Niederlassung des Europäischen Molekularbiologie-Laboratoriums EMBL stellt seine Untersuchungen im Fachblatt „Structure“ vor.

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Künstlerische Darstellung der L-Form des Gerüstproteins PDZK1. Bild: Manon Boschard
Ähnlich wie ein Baugerüst Zugang zu verschiedenen Ebenen eines Gebäudes ermöglicht, ermöglichen Gerüstproteine verschiedene Wechselwirkungen zwischen Proteinen und der Zelle. So vermitteln sie unter anderem die Wirkung von Signalproteinen in die Zelle. Die molekulare Struktur der einzelnen Domänen von PDZK1 war bereits bekannt. Es war jedoch bislang nicht gelungen, die Struktur des gesamten Gerüstproteins zu bestimmen.

Um PDZK1 systematisch zu untersuchen, tat sich Löw mit seinem EMBL-Kollegen Svergun zusammen, der die Messstation P12 an DESYs Röntgenquelle PETRA III leitet. Das Team nutzte die Technik der Röntgen-Kleinwinkelstreuung (Small-Angle X-ray Scattering; SAXS), mit der sich die Struktur von Proteinen und anderen Molekülen in einer Lösung gut untersuchen lässt. „SAXS ist eine leistungsfähige Methode, um die Form von Molekülen zu ermitteln“, betont Svergun.

Die SAXS-Experimente lieferten einige Überraschungen für das Team: Sie enthüllten nicht nur die unerwartete L-Form des Gerüstproteins, sondern zeigten auch, dass die Verbinder nicht bloß ungeordnete Abstandshalter sind, sondern direkt zur Entstehung der L-Form des Proteins beitragen. „Eine genauere Untersuchung dieser Zwischenregionen kann uns helfen, die Funktion und Dynamik von PDZK1 und anderen Gerüstproteinen wirklich zu verstehen“, erläutert EMBL-Forscherin Nelly Hajizadeh, eine der Hauptautorinnen der Studie.

Löws Gruppe plant als nächstes, das Gerüstprotein zusammen mit Bindungspartnern in einem Elektronenmikroskop zu untersuchen. „Nur durch die Kombination einer Reihe von Methoden sowie in der Zusammenarbeit mit Kollegen werden wir komplexe Proteine wie PDZK1 vollständig verstehen können“, sagt Löw, der Gruppen sowohl am CSSB als auch beim EMBL leitet. So hat die Teamarbeit von Löws und Sverguns Forschungsgruppen nicht nur zu einem ersten Strukturmodell für PDZK1 geführt, sondern sie zeigt auch die Bedeutung eines integrierten Forschungsansatzes für die Lösung komplexer Fragen in der Strukturbiologie.

 

Originalarbeit:
Probing the Architecture of a Multi-PDZ Domain Protein: Structure of PDZK1 in Solution; Nelly R. Hajizadeh, Joanna Pieprzyk, Petr Skopintsev, Ali Flayhan, Dmitri I. Svergun, Christian Löw; „Structure“, 2018; DOI: 10.1016/j.str.2018.07.016