Structural basis for co-translational assembly of homo-oligomeric proteins in cis and in trans

In elke levende cel fungeren minuscule machines die ribosomen worden genoemd als de fabrieken van het leven, waarbij ze genetische instructies lezen om eiwitten te bouwen. Deze eiwitten zijn de werkpaarden van de cel, maar ze werken zelden alleen. Om te functioneren, moeten ze vaak aan andere eiwitten koppelen om complexe structuren te vormen, vergelijkbaar met hoe individuele tandwielen in elkaar grijpen in een uurwerkmechanisme. Decennialang geloofden wetenschappers dat deze verbindingen meestal plaatsvonden nadat een eiwit volledig was gebouwd en in de cel was vrijgegeven. Recent onderzoek heeft echter onthuld dat veel eiwitten al beginnen te assembleren met hun partners terwijl ze nog worden gebouwd, een proces dat co-translationele assemblage wordt genoemd. Deze vroege verbinding helpt voorkomen dat de eiwitten in de drukke cellulaire omgeving in de knoop raken of afbreken. Een belangrijke vraag bleef bestaan: wanneer twee identieke eiwitten hun krachten moeten bundelen, vinden ze elkaar dan terwijl ze worden gebouwd op dezelfde genetische streng, of reiken ze uit naar partners die op volledig andere, nabijgelegen strengen worden gebouwd?

Een team van onderzoekers van het Centrum voor Moleculaire Biologie van de Universiteit van Heidelberg heeft dit antwoord nu gevonden voor een specifiek bacterieel eiwit genaamd PheA. Door geavanceerde beeldvormingstechnieken en genetische hulpmiddelen te gebruiken, ontdekten zij dat dit eiwit de regel dat assemblage op dezelfde genetische streng plaatsvindt, grotendeels negeert. In plaats daarvan ontdekten ze dat PheA-moleculen vaak assembleren door over te steken naar partners die worden gebouwd op aparte, naburige genetische strengen. Deze ontdekking onthult een verrassend niveau van organisatie in de bacteriële cel, waarbij ribosomen op verschillende genetische instructies fysiek aan elkaar koppelen om uitgestrekte, onderling verbonden netwerken te vormen die ervoor zorgen dat deze eiwitten correct en efficiënt worden gebouwd.

De onderzoekers concentreerden zich op PheA, een tweeledig enzym dat aanwezig is in E. coli-bacteriën en de cel helpt bij het maken van een vitale voedingsstof. Dit enzym bestaat uit twee identieke helften die om elkaar heen moeten draaien om te kunnen werken. De wetenschappers wisten dat als deze helften niet onmiddellijk aan elkaar zouden koppelen nadat een specifiek deel van het eiwit uit het ribosoom was gekomen, het eiwit waarschijnlijk verkeerd zou vouwen en onbruikbaar zou worden. Om te begrijpen hoe dit koppelen gebeurt, keek het team eerst naar het gedrag van de ribosomen in de cel. Ze gebruikten een methode om de zware clusters van ribosomen van de lichtere te scheiden en ontdekten dat wanneer PheA in grote hoeveelheden werd geproduceerd, de ribosomen massieve, zware klonters vormden die naar de bodem van hun testbuizen zonken. Deze klonters verdwenen toen de onderzoekers de monsters behandelden met een enzym dat de eiwitketens verteert, wat bewees dat de ribosomen werden bij elkaar gehouden door de groeiende eiwitketens zelf, in plaats van dat ze slechts willekeurig rondzweefden.

Om precies te zien hoe deze ketens verbonden waren, ontwikkelde het team een slim experiment met behulp van twee licht verschillende versies van het PheA-gen. Ze plaatsten deze twee genen op aparte genetische strengen binnen dezelfde cel. Eén versie van het eiwit werd voorzien van een specifieke handgreep (tag), en de andere versie van een andere handgreep. Wanneer ze de eiwitten met de eerste handgreep eruit trokken, ontdekten ze dat de tweede versie van het eiwit eraan vastzat. Dit leverde direct bewijs dat de twee helften van het enzym bij elkaar kwamen, zelfs terwijl ze werden gebouwd vanuit volledig verschillende genetische instructies. Dit betekende dat de assemblage plaatsvond in trans, oftewel over verschillende genetische strengen heen, in plaats van in cis, oftewel op dezelfde streng.

Het team maakte vervolgens gebruik van een krachtige beeldvormingstechniek genaamd cryo-elektronenmicroscopie om de ribosomen zelf te visualiseren. Ze vroren de ribosomen in in een dunne laag ijs en namen duizenden hogeresolutiebeelden om te zien hoe ze waren gerangschikt. Ze maten de afstand tussen de uitgangstunnels van de ribosomen, de kleine openingen waar de nieuwe eiwitketens uit tevoorschijn komen. Ze ontdekten dat wanneer PheA werd gebouwd, de ribosomen zichzelf zo positioneerden dat deze uitgangstunnels zeer dicht bij elkaar lagen, ongeveer 120 angstrom. Deze nabijheid maakte het mogelijk dat de opkomende eiwitketens elkaar bijna onmiddellijk aanraakten en vergrendelden. Verrassend genoeg toonden de beelden aan dat deze ribosomen geen vaste oriëntatie hadden; ze konden roteren en vrij bewegen, zolang hun uitgangstunnels maar dicht bij elkaar bleven. Deze flexibiliteit suggereerde dat de ribosomen niet in een starre formatie vastzaten, maar dynamisch naar elkaar op zoek gingen om de verbinding te faciliteren.

Toen de onderzoekers naar de ribosomen op intacte genetische strengen keken, ontdekten ze dat de nauwe nabijheid van de uitgangstunnels het vaakst voorkwam tussen ribosomen op verschillende strengen. Hoewel het mogelijk was voor ribosomen op dezelfde streng om verbinding te maken, was dit zeldzaam en vereiste het meestal dat de genetische streng zichzelf in een lus terugvouwde zodat ribosomen die ver uit elkaar lagen elkaar konden bereiken. De directe buren op dezelfde streng waren eigenlijk te ver van elkaar verwijderd om hun opkomende eiwitten te laten koppelen. Deze bevinding daagde het heersende idee uit dat identieke eiwitten meestal op dezelfde genetische streng assembleren. In plaats daarvan vertrouwt de cel voor PheA op een netwerk van verschillende genetische strengen die samenkomen.

De onderzoekers legden uit dat deze voorkeur voor het verbinden over verschillende strengen waarschijnlijk te wijten is aan de snelheid waarmee PheA moet assembleren. Het deel van het eiwit dat met zijn partner moet koppelen is erg kort en komt snel tevoorschijn. Als de ribosomen op dezelfde streng vast zouden zitten, zou de geometrie van het genetisch materiaal de uitgangstunnels te ver uit elkaar dwingen voor de eiwitten om op tijd te kunnen koppelen. Door ribosomen op verschillende strengen samen te brengen, creëert de cel een flexibele omgeving waarin de eiwitten elkaar onmiddellijk kunnen vinden. Dit mechanisme zorgt ervoor dat het enzym correct wordt gebouwd zonder energie te verspillen of defecte onderdelen te creëren.

Dit onderzoek biedt een helder beeld van hoe cellen de constructie van complexe machines organiseren. Het laat zien dat de cel niet vertrouwt op één enkele, rigide methode voor het assembleren van eiwitten. In plaats daarvan maakt de cel gebruik van de fysieke nabijheid van ribosomen, ongeacht op welke genetische streng ze zich bevinden, om ervoor te zorgen dat eiwitten hun partners vinden op het exacte juiste moment. Voor PheA betekent dit dat de cel een dynamisch web van ribosomen bouwt, waarbij verschillende genetische instructies aan elkaar worden gekoppeld om een structureel probleem op te lossen. Deze ontdekking suggereert dat het drukke interieur van een cel niet slechts een chaotische mix van onderdelen is, maar een hooggeorganiseerde ruimte waar de fysieke arrangement van de machinerie is afgestemd op de specifieke behoeften van de eiwitten die worden gemaakt.