Proteintropfen gegen Stress

Wie die Proteinkondensation die Genaktivität abdämpft und das Überleben gestresster Zellen sichert

Damit Zellen unter Stressbedingungen keinen Schaden nehmen, müssen sie schnell vom Normalzustand in den Krisenzustand wechseln. Damit verbunden ist eine Dämpfung der Genaktivität, um Kapazitäten freizugeben, die Bedrohung zu bewältigen. Forscherinnen und Forscher am Freiburger MPI für Immunbiologie und Epigenetik haben nun herausgefunden, wie genau eine durch Stress induzierte molekulare Kondensation des Transkriptionsregulators NELF, wobei sich Tröpfen bilden, die Aktivitäten im Zellkern herunterfährt.

Alles Leben auf der Erde hat unterschiedliche Strategien, die das Überleben bei katastrophalen Ereignissen sicherstellen sollen. Auch Zellen haben ihren Notfallplan: die Hitzeschockreaktion. Ausgelöst durch Stressreize wie Toxine, Strahlung oder Hitze versucht dieses zelluläre Schutzprogramm dauerhafte Schäden in der Zelle und im Organismus zu verhindern. Die Reaktion ähnelt der „Lockdown“-Strategie, die man gegenwärtig während der weltweiten Coronavirus-Pandemie beobachtet kann. Bei einem Lockdown wird das öffentliche Leben heruntergefahren und nur wesentliche Aktivitäten sind erlaubt. So werden Ressourcen frei und Maßnahmen umgeleitet, um die Auswirkungen der Pandemie zu minimieren. So auch in den Zellen:

Unter normalen Bedingungen rast die RNA-Polymerase II die DNA entlang. An den funktionellen Abschnitten, den Genen, wird die DNA in mRNA umgeschrieben, die anschließend in Proteine übersetzt werden. Im Krisenfall muss diese Transkriptionsaktivität jedoch größtenteils zum Stillstand kommen, um die Produktion von denjenigen Proteinen abzuschalten oder zu minimieren, die unter Stressbedingungen nicht benötigt werden. „So werden Kapazitäten frei, um die Herstellung von RNA und Proteinen, sogenannte molekulare Chaperone, anzukurbeln. Diese Moleküle helfen die Bedrohung und die Auswirkungen von Stress in der Zelle zu bewältigen. Bei dieser Stressreaktion interessierte uns vor allem, wie man eine ganze Zelle eigentlich in den Lockdown versetzt,“ sagt Ritwick Sawarkar, Gruppenleiter am MPI für Immunbiologie und Epigenetik in Freiburg und der Universität Cambridge.

Stress dämpft Genaktivität

Frühere Studien im Labor von Ritwick Sawarkar gaben erste Einblicke, was passiert, wenn Zellen vom Normalzustand in den Krisenzustand wechseln. Stress bewirkt die Anhäufung des sogenannten Negative Elongation Factor (NELF) im Zellkern. Dieser Regulator stoppt die Transkription an einer Vielzahl von Genen. Es war jedoch bisher nicht bekannt, wie NELF diese Dämpfung der Genaktivität reguliert, die von den Wissenschaftler:innen als Stress-Induced Transcriptional Attenuation (SITA) bezeichnet wird.

„Zu Beginn des Projekts haben wir versucht, das NELF-Protein in den lebenden Zellen sichtbar zu machen, um seine Rolle und Regulation besser zu verstehen. Dabei zeigt sich, dass NELF unter Stress Tröpfen bildet. Das war ziemlich überraschend, da sich diese NELF-Kondensate unter Normalbedingungen nicht in den Zellen finden lassen,“ sagt Prashant Rawat, Erstautor der Studie.

Zusammen mit dem Labor von Patrick Cramer am MPI für biophysikalische Chemie in Göttingen, das in der Lage war, dieselben NELF-Tröpfchen in vitro mit gereinigten Proteinen nachzubilden, haben die Max-Planck-Forscher:innen die Rolle der Kondensate erforscht. Die Teams vermuten, dass die Stress induzierte biomolekulare Tröpfchenbildung dafür sorgt, NELF an die Promotorregionen von Genen anzureichern. Hier blockieren die NELF-Tröpfchen die Aktivität der Polymerase und fahren so die Transkriptionsaktivitäten im Zellkern herunter.

Mit Tentakeln zum Tropfen

Bestandteile des NELF-Moleküls sind sogenannte intrinsisch ungeordnete Regionen (IDRs, engl. intrinsically disordered regions). IDRs sind die Teile von Proteinen ohne feste Struktur und sie wirken wie Tentakel. Die Forscher:innen konnten zeigen, dass Wechselwirkungen zwischen den NELF-Tentakeln für die Tröpfenbildung essentiell sind. „Während der Kondensation kommen viele dieser einzelnen NELF-Moleküle zusammen und ihre Tentakel greifen ineinander, um das Tröpfchen zu bilden. Was uns aber am meisten verwunderte, war, dass das NELF-Molekül immer diese Tentakel als Teil seiner Struktur enthält, aber nur bei Stress kondensiert,“ erläutert Prashant Rawat.

Mit genom- und proteomweiten molekularen und biochemischen Ansätzen identifizierte das Team spezifische posttranslationale Modifikationen (PTMs), die für die NELF-Kondensation essentiell sind. PTMs sind biochemische Veränderungen von Proteinen nach der eigentlichen Proteinsynthese und werden von Zellen oft als Antwort auf Umweltreize eingesetzt. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass zwei verschiedene Modifikationen für die Tröpfchenbildung notwendig sind. „Wir haben herausgefunden, dass stressbedingte Veränderungen in der NELF-Phosphorylierung sowie eine SUMOylierung, bei der kleine SUMO-Proteine die Funktion der Tentakel modifizieren, die Tröpfchenbildung ermöglichen,“ sagt Ritwick Sawarkar.

Beeinträchtigung der zellulären Fitness

Zellen mit gestörten IDR oder fehlgesteuerter SUMOylierung sind nicht in der Lage die NELF-Tropfen zu bilden und scheitern auch daran, die Aktivität Ihrer Gene unter Stressbedingungen zu dämpfen. „Wenn Zellen es nicht schaffen, durch die NELF-Tröpfchenbildung und dem Herunterfahren der Transkription in den Lockdown zu gehen, riskieren sie letztlich ihre Fitness. Unsere Daten zeigen eine signifikant höhere Sterberate von Zellen, bei denen eine NELF-Kondensation unter Stress fehlschlägt,“ sagt Prashant Rawat.

Für Ritwick Sawarkar unterstreichen die nun veröffentlichten Ergebnisse auch die kollaborativen Aspekte des wissenschaftlichen Lebens an Max-Planck-Instituten. „Diese Forschung wurde erst durch enge Kooperationen möglich. Nicht nur die Kollaboration mit dem Labor von Patrick Cramer am MPI-BPC in Göttingen gab entscheidende Impulse, auch das Labor von Andrea Pichler am MPI-IE in Freiburg war zentral für Aufklärung der Rolle der SUMOylierung bei der NELF-Kondensation,“ sagt Ritwick Sawarkar.

Die nächsten Schritte liegen für die Forscher:innen bereits auf der Hand. Die durch Stress induzierte Dämpfung der Genaktivität wird mit neurologischen Erkrankungen wie Chorea Huntington in Verbindung gebracht. Das Team um Ritwick Sawarkar sieht so die Möglichkeit die Rolle der Tröpfchenbildung der NELF-Proteine in verschiedenen Krankheiten genauer zu erforschen. „Wir haben am Institut bereits Mausmodelle entwickelt, um unsere Erkenntnisse in vivo und auf relevante Krankheitsmodelle auszuweiten,“ sagt Prashant Rawat.

MR