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Ribosomen sind die Proteinproduktionsstätten der Zelle und verbrauchen große Mengen an Energie, um jene Proteine herzustellen die die Zellen am Leben und funktionsfähig halten. Wenn Zellen Stress ausgesetzt sind, etwa durch Nährstoffmangel oder plötzliche Temperaturabfälle, schalten sie schnell in einen Überlebensmodus. Neue Forschungsergebnisse aus dem Schuman-Labor am Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt zeigen einen bislang unbekannten Mechanismus mit dem Zellen diesen Übergang bewältigen: Inaktive Ribosomen verbinden sich mithilfe ribosomaler RNA zu Paaren. Dieser RNA-basierte Prozess offenbart eine neue Rolle der ribosomalen RNA in der zellulären Stressreaktion.
Ribosomen sind große molekulare Maschinen aus Protein und RNA. Da die Proteinproduktion besonders energieaufwenig ist, wird sie unter Stressbedingungen rasch gedrosselt. In Bakterien ist seit Längerem bekannt, dass inaktive Ribosomen sich dabei zu sogenannten „hibernating disomes“ zusammenlagern. Vergleichbare Strukturen waren in tierischen Zellen bislang jedoch noch nicht direkt nachgewiesen worden.
Eine unerwartete Rolle der ribosomalen RNA bei zellulärem Stress
Eine unerwartete Rolle der ribosomalen RNA bei zellulärem Stress
Mithilfe fortschrittlicher Bildgebungstechniken entdeckten Erin Schuman und ihr Team der Abteilung für Synaptische Plastizität des Max-Planck-Instituts für Hirnforschung in Frankfurt, dass gestresste tierische Zellen – darunter auch Neuronen – ihre inaktiven Ribosomen zu fest verbundenen Paaren, sogenannten Disomen, zusammenlagern. Diese Ribosomenpaare entstehen nicht durch zufällige Kollisionen oder experimentelle Artefakte, sondern stellen eine regulierte und reversible Reaktion auf Stress dar. Die Ergebnisse wurden heute in Science veröffentlicht.
„Überraschenderweise werden die beiden Ribosomen – anders als bei Bakterien – nicht durch Proteine zusammengehalten. Stattdessen vermittelt ein spezifischer Abschnitt der ribosomalen RNA, ein sogenanntes Expansionssegment, die Verbindung ”, erklärt einer der Erstautoren, Postdoktorand Andre Schwarz.
Expansionssegmente sind lange, flexible RNA-„Tentakel“, die aus Ribosomen herausragen und sich im Laufe der Evolution vergrößert haben. Obwohl sie ein charakteristisches Merkmal tierischer Ribosomen sind, ist bislang wenig über ihre Funktionen bekannt. Die Studie zeigt nun, dass ein bestimmtes Expansionssegment -„ES31Lb“ - notwendig und ausreichend ist, um Ribosomen unter Stressbedingungen miteinander zu verbinden. Auf molekularer Ebene bildet das Expansionssegment eine präzise RNA-RNA-Wechselwirkung, einen sogenannten „Kissing Loop“, bei der identische RNA-Schleifen über komplementäre Sequenzen miteinander interagieren. Wird diese Wechselwirkung gestört, bleibt die Bildung von Disomen aus, das Zellwachstum ist beeinträchtigt und die Zellen reagieren empfindlicher auf Stress.
Ribosomen im Zellinneren beobachten
Eine wesentliche Stärke der Studie war die Möglichkeit, Ribosomen mithilfe der kryogenen Elektronentomographie (Cryo-ET) direkt im Inneren intakter Zellen sichtbar zu machen. Cryo-ET ist eine leistungsfähige dreidimensionale-Bildgebungstechnik, mit der gefrorene biologische Proben – etwa Zellen, Organellen oder Moleküle – mit Hilfe eines Elektronenmikroskops in sehr hoher Auflösung dargestellt werden kann. Dieser Ansatz ermöglichte es dem Team, Ribosomen in ihrer natürlichen Umgebung zu beobachten und aufzuklären, wie sie sich unter Stressbedingungen neu organisieren.
Die Studie vereinte ein breites Spektrum an Methoden aus der Zellbiologie, Biochemie, genetische Manipulation in Hefe- und Säugetierzellen sowie hochauflösende Strukturanalysen. „Eine große Herausforderung war die gezielte Manipulation der ribosomalen RNA, die im Genom von Tieren durch Hunderte bis Tausende nahezu identischer Genkopien kodiert wird. Wir haben diese Hürde überwunden, indem wir hybride Ribosomen in Hefe erzeugten und kleine RNA-Moleküle einführten, die die Ribosomenpaarung in tierischen Zellen speziell störten“, sagt Mara Mueller, Doktorandin im Schuman-Labor und Co-Erstautorin der Studie.
Ein neuer Blick auf die Regulation der Proteinsynthese
„Unsere Ergebnisse zeigen einen bislang unbekannten Mechanismus, mit dem tierische Zellen die Proteinsynthese unter Stress regulieren – einen Mechanismus, der auf der Struktur von RNA beruht. Die Studie zeigt damit eine neue Funktion ribosomaler RNA-Expansionssegmente auf, deren Rolle bislang weitgehend unklar war“, sagt Erin Schuman.
Indem Zellen Ribosomen vorübergehend in inaktiven Paaren speichern, schützen sie diese energieaufwendig hergestellten Maschinen und ermöglichen eine schnelle Wiederaufnahme der Proteinproduktion, sobald sich die Bedingungen verbessern. Die Entdeckung eröffnet neue Perspektiven für das Verständnis, wie sich Zellen an Stress anpassen und welchen Beitrag die Organisation von Ribosomen zu Gesundheit und Krankheit leisten kann.
Prof. Dr. Erin Schuman
Direktorin
Max-Planck-Institut für Hirnforschung
erin.schuman@brain.mpg.de
+49 69 850033-1001
Andre Schwarz*, Mara Mueller*, Helene Will, Lea Dietrich, Stefano L. Giandomenico, Georgi Tushev, Ina Bartnik, Iskander Khusainov, Claudia M. Fusco, Erin M. Schuman. rRNA expansion segments mediate the oligomerization of inactive animal ribosomes. Science (2026) *Co-Erstautoren
http://www.science.org/doi/10.1126/science.adr4287
3D model of two rat hippocampal ribosomes interacting in a hibernating dimer via an RNA expansion se ...
Copyright: Max Planck Institute for Brain Research, 3D models: Oliver Döll.
Primary rat hippocampal neurons grown on an electron microscopy support grid prior to plunge-freezin ...
Copyright: Max Planck Institute for Brain Research / A. Schwarz
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars, Students, Teachers and pupils
Biology, Chemistry, Medicine
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
3D model of two rat hippocampal ribosomes interacting in a hibernating dimer via an RNA expansion se ...
Copyright: Max Planck Institute for Brain Research, 3D models: Oliver Döll.
Primary rat hippocampal neurons grown on an electron microscopy support grid prior to plunge-freezin ...
Copyright: Max Planck Institute for Brain Research / A. Schwarz
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