The conserved β-hairpin of the SUI1 domain is a dual-function structural module governing translation initiation and ribosome recycling in yeast

In elke levende cel leest een microscopische machine genaamd het ribosoom genetische instructies om eiwitten te bouwen, de werkpaarden die het leven draaiende houden. Dit proces, bekend als translatie, is geen enkele continue gebeurtenis maar een reeks nauwkeurige stappen. Zodra het ribosoom een specifieke instructieblok heeft uitgelezen, moet het de boodschap loslaten en resetten om opnieuw te beginnen. In de meeste gevallen laat het ribosoom zijn onderdelen los en verlaat het de boodschap volledig. Sommige genetische boodschappen bevatten echter korte, voorlopige instructies vóór de hoofdinstructie. Wanneer het ribosoom deze korte voorlopige secties heeft voltooid, blijft het soms aan de boodschap gehecht en begint het onmiddellijk het volgende deel te lezen. Dit vermogen om te herstarten zonder de boodschap te verlaten, wordt reïnitiatie genoemd, en het is een cruciale manier waarop cellen reguleren hoeveel eiwit ze maken. Als dit resetmechanisme faalt, kan het ribosoom vast komen te zitten of op de verkeerde plek beginnen met lezen, wat potentieel schadelijke eiwitten kan creëren.

Wetenschappers weten al lang dat specifieke hulp-eiwitten nodig zijn om dit resetproces te beheren. In gist, een eenvoudige organisme die vaak wordt gebruikt om de menselijke biologie te bestuderen, werken een paar hulp-eiwitten genaamd Tma20p en Tma22p samen om ervoor te zorgen dat ribosomen correct worden gerecycled. Deze eiwitten delen een structurele vorm met een ander bekend eiwit genaamd eIF1, dat helpt bij de allereerste stap van het lezen van genetische instructies. Omdat ze zo sterk op elkaar lijken, vroegen onderzoekers zich af of het duo Tma20p en Tma22p simpelweg de taak van het start-eiwit kopieerde of dat ze een unieke rol voor recycling hadden ontwikkeld. Een nieuwe studie door Kseniya Zamyatnina en haar team bij Russische onderzoeksinstituten heeft deze vraag nu beantwoord, door precies te onthullen hoe deze eiwitten werken en wat er gebeurt wanneer hun specifieize delen defect zijn.

Om de taak van deze eiwitten te begrijpen, bouwden de onderzoekers een aangepast testsysteem in gistcellen. Ze creëerden genetische boodschappen die fungeerden als een rapport met twee delen. Het eerste deel was een korte, gemakkelijk te lezen instructie die het ribosoom snel zou voltooien. Het tweede deel was een langere instructie die het ribosoom pas zou lezen als het succesvol had gereset en op de boodschap was gebleven na het voltooien van het eerste deel. Door te meten hoe vaak het ribosoom succesvol van het eerste deel naar het tweede deel bewoog, kon het team de efficiëntie van het recyclingproces berekenen. Ze testten dit systeem in gistcellen waar ze één of meer van de hulp-eiwitten hadden verwijderd om te zien hoe het recyclingproces veranderde.

Het team vergeleken eerst de rollen van de verschillende beschikbare hulp-eiwitten in gist. Ze ontdekten dat het paar eiwitten, Tma20p en Tma22p, de dominante rol speelde in het voorkomen dat ribosomen te gemakkelijk herstarten. Wanneer beide ontbraken, herstarten de ribosomen veel te vaak, wat wijst op een falen in het recyclingproces. Een derde hulp-eiwit, Tma64p, speelde ook een rol, maar het effect ervan was veel kleiner. De onderzoekers ontdekten dat het paar Tma20p en Tma22p veel belangrijker was dan Tma64p bij het controleren van dit proces, of het ribosoom nu herstartte na een korte instructie of na een lange instructie.

Vervolgens richtte de studie zich op de specifieke vorm van het Tma22p-eiwit. Dit eiwit heeft een duidelijke lusachtige structuur gemaakt van geladen deeltjes, die erg lijkt op een deel van het start-eiwit eIF1. De onderzoekers maakten versies van het Tma22p-eiwit waarbij ze deze specifieke lus verwijderden of wijzigden. Wanneer ze de geladen deeltjes in deze lus veranderden, verloor het eiwit volledig zijn vermogen om ribosomen te helpen recyclen. De ribosomen in deze cellen gedroegen zich alsof het hulp-eiwit volledig ontbrak, waardoor ze veel te frequent herstartten. Dit bewees dat deze specifieke lus essentieel is voor de functie van het eiwit.

Verrassend genoeg was het resultaat anders toen de onderzoekers de volledige lusstructuur uit het eiwit verwijderden. In plaats van dat het eiwit volledig faalde, waren de gistcellen nog steeds in staat om ribosomen redelijk goed te recyclen. Dit suggereerde dat een ander eiwit in de cel, waarschijnlijk het start-eiwit eIF1, de taak kon overnemen wanneer het hoofdhulp-eiwit zijn lus miste. Om dit idee te testen, maakte het team een hybride eiwit. Ze namen het voorste deel van het Tma22p-helper en voegden de lus van het start-eiwit eIF1 eraan toe. Wanneer ze dit hybride eiwit in cellen plaatsten die het natuurlijke Tma22p misten, herstelde het deels het vermogen om ribosomen te recyclen. Dit bevestigde dat het start-eiwit en het recycling-hulp-eiwit onderdelen kunnen uitwisselen en nog steeds functioneel blijven, wat suggereert dat ze zijn geëvolueerd uit een gemeenschappelijke voorouder om verschillende maar gerelateerde taken uit te voeren.

De bevindingen verhelderen een langlopend debat over hoe deze eiwitten in verschillende organismen werken. In gist fungeert het paar Tma20p en Tma22p primair om te voorkomen dat ribosomen herstarten, waardoor ze de boodschap verlaten om elders te worden hergebruikt. In mensen zijn soortgelijke eiwitten gedacht te helpen bij het herstarten van ribosomen, maar deze studie suggereert dat het fundamentele mechanisme van het gebruiken van een gedeelde structurele vorm om de beweging van ribosomen te beheren, behouden is gebleven. Het onderzoek benadrukt dat de geladen lus op het Tma22p-eiwit de cruciale schakelaar is voor zijn taak. Zonder deze lus loopt het recyclingproces in de war, wat leidt tot fouten in de eiwitproductie. Dit inzicht helpt verklaren hoe cellen orde handhaven tijdens de eiwitsynthese en biedt een duidelijker beeld van hoe genetische mutaties in deze regio's tot ziekten kunnen leiden, aangezien vergelijkbare eiwitten in mensen gelinkt zijn aan neurologische aandoeningen. Het werk toont aan dat hoewel de evolutie gespecialiseerde instrumenten heeft gecreëerd voor verschillende stappen van het proces, ze nog steeds een gemeenschappelijk blauwdruk delen die onder de juiste omstandigheden kan worden uitgewisseld en aangepast.