Das Ribosom übersetzt die mRNA in ein Protein, das aus vielen Aminosäuren besteht. tRNAs, die diese Aminosäuren transportieren, erreichen das Ribosom nach dem Zufallsprinzip. Das Ribosom muss die richtige tRNA (grün) binden und sie von der falschen (orange) unterscheiden. Wenn das Ribosom hier einen Fehler macht, enthält das entstehende Protein die falsche Aminosäure. © Landerer et al. Molecular Biology and Evolution, 2024 / MPI-CBG
Die Zellen von Organismen verarbeiten genetische Informationen in der Regel korrekt, um diese gesund und funktionsfähig zu erhalten. Allerdings können bei der Übersetzung der genetischen Information in Proteine, einer der Bausteine unserer Zellen, auch Fehler passieren. Hierbei wird die falsche Aminosäure in ein Protein eingebaut. Während die meisten dieser Fehler die Gesundheit einer Zelle nicht beeinträchtigen, können einige die Funktionsweise eines Proteins verändern. Um die Auswirkungen dieser spezifischen Fehler besser zu verstehen, ist es wichtig zu wissen, wie oft diese Fehler in der Gesamtheit der Proteine, die eine Zelle herstellt, vorkommen und wie sie die Evolution beeinflussen.
Die drei Forschenden Cedric Landerer, Jonas Poehls und Agnes Toth-Petroczy vom Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) und dem Zentrum für Systembiologie Dresden (CSBD) stellen nun die erste Studie vor, die zeigt, wie sich Fehler bei der Proteinbildung im Proteom (der Gesamtheit der Proteine) verteilen, wie häufig sie auftreten und was das falsche Protein für die Gesundheit und Funktionalität einer Zelle bedeutet.
Der Erstautor der Studie, Cedric Landerer, erklärt: “Wir untersuchten zwei Organismen, das Bakterium E. coli und S. cerevisiae (auch als Brau- oder Bäckerhefe bekannt), und fanden heraus, dass etwa 20-23 % aller Proteine in diesen Zellen mindestens einen Fehler enthalten können. Interessanterweise waren schädigende Fehler weniger häufig. Wir haben unser Modell mit Daten aus Massenspektrometrie-Experimenten trainiert, in denen diese Fehler entdeckt wurden.”
“Im Allgemeinen scheinen die von uns untersuchten Zellen über ein ziemlich gutes System zu verfügen, um mit Fehlern bei der Proteinherstellung umzugehen,” sagt die Forschungsgruppenleiterin, Agnes Toth-Petroczy. “Mit unserer Pipeline und dem mechanistischen Modell können wir nun untersuchen, wie akkurat die Proteinherstellung bei vielen verschiedenen Arten abläuft. Wir können auch untersuchen, wie sich die Genauigkeit der Proteinherstellung in verschiedenen Situationen verändert, etwa wenn Zellen gestresst sind oder bei Krankheiten.”
Cedric Landerer, Jonas Poehls, Agnes Toth-Petroczy: Fitness Effects of Phenotypic Mutations at Proteome-Scale Reveal Optimality of Translation Machinery, Molecular Biology and Evolution, Volume 41, Issue 3, March 2024, https://doi.org/10.1093/molbev/msae048