Wissenschaftler filmten Proteinproduktion in lebenden Zellen und entdeckten eine unerwartete Partnerschaft
Jede Zelle im menschlichen Körper produziert ununterbrochen Proteine – jene Moleküle, die nahezu alle biologischen Aufgaben übernehmen. Wie diese Produktion gesteuert wird, war bislang überraschend unklar. Eine neue Studie filmt den Vorgang in Echtzeit und stellt eine grundlegende Annahme auf den Kopf.
Proteine werden von Ribosomen hergestellt – molekularen Maschinen, die die in der Boten-RNA (mRNA) codierten Bauanleitungen lesen und daraus Aminosäureketten zusammenfügen. Dieser Vorgang gliedert sich in zwei klar unterscheidbare Phasen: die Initiation, bei der ein Ribosom auf der mRNA andockt und mit dem Lesen beginnt, und die Elongation, bei der es den Strang entlangwandert und das Protein zusammensetzt. Wie diese beiden Phasen miteinander zusammenhängen, war bislang kaum verstanden – bis jetzt.
Mithilfe einer Fluoreszenztechnik namens SunTag-Imaging verfolgten Forschende einzelne mRNA-Moleküle in lebenden Zellen während der Translation. Die gewonnenen Lichtsignale wurden anschließend in ein mathematisches Modell eingespeist, das ursprünglich aus der Verkehrsflusstheorie stammt. So konnten Initiations- und Elongationsrate gleichzeitig auf der Ebene einzelner Moleküle gemessen werden.
Koordination als Schutzmechanismus
Das zentrale Ergebnis: Initiationsgeschwindigkeit und Elongationsgeschwindigkeit sind eng miteinander gekoppelt. Starten Ribosomen schnell, bewegen sie sich auch schnell fort. Diese Koordination hält die Ribosomendichte auf einem mRNA-Strang konstant niedrig – über alle untersuchten Sequenzen hinweg lag die Belegung bei höchstens 12 Prozent. Das mag verschwenderisch wirken, ist aber aller Wahrscheinlichkeit nach ein Schutzmechanismus: Zu viele Ribosomen auf einem einzigen Strang können zu Staus führen, die die Produktion vollständig zum Erliegen bringen.
Für die Alternsforschung ist das von Bedeutung, weil die Proteinproduktion mit zunehmendem Alter nachlässt. Ältere Zellen machen mehr Fehler bei der Translation, häufen beschädigte Proteine an und haben Schwierigkeiten, die Proteostase aufrechtzuerhalten – jenes Gleichgewicht zwischen Proteinsynthese, -faltung und -abbau, das Zellen gesund hält. Ein detailliertes Verständnis der Translationsregulation ist Voraussetzung dafür zu begreifen, warum diese Regulation im Alter zusammenbricht.
Mathematik trifft Molekularbiologie
Bemerkenswert ist auch die verwendete Methode. Die Forschenden nutzten ein Hidden Markov Model, das auf dem Totally Asymmetric Exclusion Process (TASEP) basiert – einem mathematischen Rahmenwerk, das ursprünglich zur Beschreibung des Verkehrsflusses auf Autobahnen entwickelt wurde. Seine Anwendung auf Ribosomen, die sich entlang von mRNA-Strängen bewegen, verdeutlicht, wie mathematische Modellierung zunehmend in der Lage ist, biologische Zusammenhänge aufzudecken, die durch direkte Beobachtung allein nicht zugänglich wären. Der Ansatz eröffnet nun einen Weg, Translationsdynamiken unter verschiedenen Bedingungen – darunter Alterung, Zellstress und Krankheit – systematisch und in einer Auflösung zu messen, die bislang nicht erreichbar war.