NAC: Ein molekularer Torwächter

Wir sind keine Maschinen, die aus einzelnen Teilen bestehen. Wir sind lebende Systeme, die aus miteinander interagierenden Teilen bestehen, deren Funktionen sehr unterschiedlich sein können. Eine Autobatterie liefert beispielsweise Energie, die ein Auto zum Laufen bringt. Sie kann niemals in etwas umgewandelt werden, das das Auto zerstört. Im Gegensatz dazu liefern Mitochondrien Energie in gesunden Zellen, koordinieren jedoch deren Tod, wenn dies für die Gesundheit des gesamten Organismus erforderlich ist. Cytochrom c kommt in Mitochondrien vor. Es hilft bei der Energieproduktion für gesunde Zellen. Wenn es jedoch Zeit für eine Zelle ist zu sterben, löst Cytochrom c den programmierten Zelltod (Apoptose) aus. Je mehr wir über das Leben lernen, desto mehr entdecken wir, dass es viele andere Proteine gibt, die mehr als eine Funktion haben. Eines davon ist der sogenannte nascent polypeptide–associated complex (NAC). Er ist für die Produktion anderer Proteine, die Zellen benötigen, unerlässlich.

Forscher der ETH Zürich, des Max-Planck-Instituts für multidisziplinäre Wissenschaften in Göttingen und anderer Einrichtungen haben mehr über die Rolle von NAC erfahren^1-4. Es koordiniert die Proteinproduktion in unseren Zellen und steuert die Verarbeitung von Proteinen, die die DNA in eine kompakte Form umwandeln. Diese Erkenntnisse könnten dazu beitragen, neue Ansätze zur Behandlung oder sogar Heilung einiger Krebsarten zu finden. Außerdem verbessern sie unser Verständnis davon, wie Proteine hergestellt werden.

Das heißt, die DNA wird in Boten-RNA transkribiert, die in Proteine und Peptide übersetzt wird. Die DNA ist in Chromosomen verpackt, die eine Art von Proteinen enthalten, die als Histone bezeichnet werden. Die DNA ist um die Histone gewickelt, wodurch sie nicht transkribiert werden kann. Die Histone enthalten positiv geladene Aminosäuren (Lysin und Arginin). Die positiv geladenen Histone binden sich an die negativ geladene DNA. Diese Bindungen können jedoch durch die Anlagerung von Methyl- oder Acetylgruppen an die positiv geladenen Aminosäuren aufgebrochen werden. Dadurch wird die DNA freigesetzt, sodass sie transkribiert werden kann. Außerdem enthält die DNA vier Basen, die als Adenosin, Thymin, Cytosin und Uracil bezeichnet werden. An einige von ihnen kann eine Methylgruppe angelagert sein, die die Transkription eines Gens verhindern kann.

Das heißt, es gibt eine Kontrollschicht, die über der Genetik liegt. Sie wird als Epigenetik bezeichnet. Die Histonmodifikation ist eine Form der Epigenetik. Die DNA selbst kann durch Hinzufügen von Methylgruppen zu Cytosinbasen modifiziert werden. Dadurch können Gene stillgelegt werden, sodass sie nicht in Boten-RNA transkribiert werden. Proteine und Peptide werden anhand der Boten-RNA-Vorlage hergestellt. Dazu wird jeweils eine Base hinzugefügt, um eine lange Kette von Aminosäuren zu bilden, die miteinander verbunden sind. Um ein biologisch aktives Protein zu bilden, muss sich die Aminosäurekette zu einer präzisen Struktur falten.

Methionin ist immer die erste Aminosäure, die in Eukaryoten in ein neues Protein eingebaut wird, auch wenn es später wieder entfernt wird, da das Codon AUG nicht nur für Methionin kodiert, sondern auch als universelles START-Codon für die Initiierung der Proteinsynthese (Translation) auf der Boten-RNA (mRNA) dient. Außerdem ist AUG das primäre Signal für Ribosomen, mit dem Aufbau eines Proteins zu beginnen.

Etwa 40 % des Proteoms von Säugetieren unterliegt einer N-terminalen Methionin-Exzision und Acetylierung. Diese wird sequenziell durch Methionin-Aminopeptidase (MetAP) bzw. N-Acetyltransferase A (NatA) vermittelt. Beide Modifikationen sind streng cotranslational und in höheren eukaryotischen Organismen essenziell. Jüngste biochemische, strukturelle und In-vivo-Studien haben gezeigt, dass der naszierendes Polypeptid-assoziierte Komplex (NAC) die Wirkung dieser Enzyme koordiniert.

Bevor ein neu gebildetes Protein sich falten kann, muss es also verarbeitet und an den richtigen Ort in der Zelle transportiert werden. Wenn es das Ribosom verlässt, müssen Enzyme seine erste Aminosäure entfernen, kleine chemische Verbindungen anlagern und bestimmen, in welche Zellkompartimente das Protein geschickt werden soll. Diese Aktivitäten werden von NAC koordiniert.

Jüngste Arbeiten der ETH Zürich, der Universität Konstanz, des Max-Planck-Instituts, des California Institute of Technology und der Harvard University haben jedoch gezeigt, wie NAC die Proteinfaltung reguliert, indem es bestimmte Enzyme genau dann und dort rekrutiert, wo sie benötigt werden. NAC sitzt direkt dort, wo die frisch synthetisierten Polypeptidketten aus dem Ribosom austreten. Er ist damit ideal positioniert, um die ersten Bearbeitungsschritte zu koordinieren.

Es gibt drei verschiedene Interaktionsphasen: eine sehr frühe Phase, in der das entstehende Protein weniger als 30 Aminosäuren lang ist, eine mittlere Phase mit einer Kettenlänge von etwa 50–60 Aminosäuren und eine vergleichsweise späte Phase, in der die wachsende Aminosäurekette bereits mehr als 80 Aminosäuren umfasst. Sobald die Kette in der ersten Phase 50 Aminosäuren erreicht hat, beginnt das wachsende Protein, sich über den Tunnel im Ribosom hinaus auszudehnen. Dadurch kann NAC von außen interagieren. Es besteht ein Zusammenhang zwischen dem Zielort der entstehenden Proteine und dem Zeitpunkt der Interaktion mit NAC.

Beispielsweise interagieren Proteine, die für das Membrannetzwerk der Zelle – das endoplasmatische Retikulum – bestimmt sind, insbesondere in der frühen und mittleren Phase mit NAC. In der mittleren Phase fördert der Proteinkomplex den gezielten Transport von Proteinen, die die entsprechende Signalsequenz tragen, zum endoplasmatischen Retikulum. Die Interaktion mit NAC innerhalb des ribosomalen Tunnels führt zu einer Verlangsamung des Wachstums der entstehenden Proteine. NAC sorgt dafür, dass die Proteinsynthese reibungslos abläuft. Es optimiert die Bewegung der Ribosomen, verringert das Risiko von Kollisionen und koordiniert die nachfolgenden Faltungs- und Logistikprozesse. Der NAC-Proteinkomplex ist also eine multifunktionale Kontroll- und Regelungszentrale in der Proteinsynthese.

Die replikationsabhängigen Histone H2A und H4 gehören zu den am stärksten exprimierten Proteinen in Eukaryoten während der S-Phase. Nahezu alle neu synthetisierten H2A und H4 werden nach der Exzision des Initiator-Methionins durch Methionin-Aminopeptidasen (MetAPs) durch die N-terminale Acetyltransferase D (NatD) N-terminal acetyliert. Diese Modifikationen beeinflussen die Chromatinfunktion. Der NAC-Komplex steuert die cotranslationale Modifikation der Histone H2A und H4, indem er NatD und das vorgeschaltete Enzym MetAP1 zu den Ribosomen rekrutiert. MetAP1 und NatD kooperieren auf dem Ribosom, um eine begrenzte Umgebung für die effiziente sequenzielle Modifikation der naszenten Histonkette zu schaffen.

Der NAC-Proteinkomplex hat vier Arme. Einer davon verankert NAC am Ribosom. Die anderen drei können eine Vielzahl von Biochemikalien und Enzymen binden, die für die Proteinproduktion benötigt werden. Dazu gehört auch ein Molekül, das Proteine steuert, die in Membranen eingebaut werden. Darüber hinaus sorgt NAC dafür, dass die Histone H4 und H2A chemisch richtig modifiziert werden. Histone müssen während der Proteinsynthese modifiziert werden, um eine ordnungsgemäße Chromosomenfunktion zu gewährleisten. Fehler können zu Krankheiten wie Krebs beitragen. NAC bringt zwei Enzyme zum Ribosom, um die erste Aminosäure aus dem entsprechenden Histon zu entfernen und dann eine Acetylgruppe an das neu freigelegte Ende anzufügen. Da Histone sehr schnell zusammengesetzt werden, müssen diese beiden Verarbeitungsschritte in der richtigen Reihenfolge und fast augenblicklich erfolgen.