Zellbiologen der Universität Salzburg und Mediziner an der Paracelsus Medizinischen Privatuniversität Salzburg haben ein neues Verfahren zur gezielten Steuerung der zellulären Eiweißerzeugung, der sogenannten personalisierten Proteinsynthese, entwickelt. Mögliche Anwendungsbereiche ergeben sich in der Biotechnologie und der Medizin.

In allen Zellen werden Proteine von kleinen, molekularen Maschinen, den Ribosomen, hergestellt. Ein Ribosom besteht aus einer kleinen und einer großen Untereinheit, und beide Untereinheiten bestehen aus zwei Arten von Bausteinen, erstens, den ribosomalen Nukleinsäuren (rRNA) und zweitens, den etwa 80 ribosomalen Proteinen. Wenn ein Protein hergestellt werden soll, wird durch einen genau regulierten Startprozess sichergestellt, dass die kleine Untereinheit zuerst die genetische Botschaft für das Protein, die mRNA, aufnimmt und dann mit der großen Untereinheit fusioniert. Dann übernimmt die kleine Untereinheit das Umschreiben der mRNA in Aminosäuren. Die Aminosäuren werden dann eine nach der anderen von der großen Untereinheit zu einer Aminosäurenkette verknüpft und diese verlässt das Ribosom um sich in ein funktionsfähiges Protein zu falten.

Seit Entdeckung der Ribosomen vor über 60 Jahren ist man davon ausgegangen, dass die Menge an Protein, die von einer bestimmten mRNA hergestellt wird, in erster Linie von der Menge der hergestellten mRNA und der Regulation des Startprozesses am Ribosom kontrolliert wird. Die Rolle des Ribosoms selbst wurde dabei als die einer rein ausführenden, „molekularen Maschine“ gesehen. Es wurde jedoch immer wieder über eine aktivere, regulierende Rolle der Ribosomen spekuliert. Das würde auf eine personalisierte Proteinsynthese hindeuten, bei der jede mRNA des menschlichen Körpers ihre persönliche Signatur am Ribosom hat.

Die Salzburger Forscher haben nun diese Spekulation beendet, indem sie als Studienobjekte Ribosomen der Bierhefe untersuchten, welche sehr ähnlich den menschlichen Ribosomen sind. Es wurde in der Hefezelle ein Testverfahren entwickelt, mit dem jede mRNA, aus jedem Organismus, in Bezug auf personalisierte Proteinsynthese getestet werden kann. Das Testverfahren besteht aus einem Set von Hefestämmen, wobei jeder einzelne Hefestamm ein personalisierter Hefestamm ist, weil er personalisierte Ribosomen trägt. Dieses Set von Hefestämmen kann nun verschiedene mRNAs aufnehmen, die getestet werden sollen. Die Proteinsynthese von mehreren Test mRNAs wurden in allen personalisierten Hefestämmen getestet. Nach eingehender statistischer Analyse konnte gezeigt werden, dass es für jede Test-mRNA nur einige wenige oder nur ein bestimmtes personalisiertes Ribosom gibt, das zu einer signifikanten Erhöhung der Proteinproduktion führt. Die Produktionssteigerung für die einzelnen Proteine lag zwischen 50% und 200%. Dabei ist zu beachten, dass die Produktion der jeweils anderen Test mRNAs nicht signifikant verändert war.

Durch den Einsatz personalisierter Ribosomen wurde also hohe Spezifität in der Steigerung der Produktion für ein ausgewähltes Protein erreicht, unter gleichzeitiger Beibehaltung der Produktionsraten anderer Test mRNAs, für die es jeweils wieder eigene personalisierte Ribosomen gibt.

Die Umsetzung der personalisierten Proteinsynthese kann Bereiche der Biotechnologie und Medizin revolutionieren.

Biotechnologie

Derzeit können in der Biotechnologie Steigerungen in der Herstellung von Zielproteinen nur unter Einsatz von genetisch veränderten Produktionsstämmen oder Wachstumsfaktoren oder teurer Nährmedien oder durch Kombinationen dieser Methoden erzielt werden. Einsatz des hier vorgestellten Screening-Verfahrens zur Identifikation personalisierten Ribosomen zur Produktionssteigerung eines bestimmten Proteins – in diversen Proteinexpressionsmodellen von Pichia pastoris bis zu humanen Stammzellen – wird Produktionskosten senken und Proteinproduktion steigern können. Das Screening Verfahren wurde unter Leitung von Prof. Dr. Lore Breitenbach-Koller am Fachbereich Zellbiologie an der Universität Salzburg durchgeführt.

Medizin

In der Medizin kann das Testverfahren zur personalisierten Proteinsynthese therapeutische Ziele für seltene Krankheiten, aber auch für weit verbreitete Krankheiten, liefern. So konnten die Salzburger Forscher zeigen, dass personalisierte Ribosomen mit veränderter L35b Aktivität die fehlerhafte Proteinsynthese der mutierten LAMB3 mRNA korrigieren und vermehrten Produktion des Lamb3 Proteins ermöglichen. In der menschlichen Haut ist Lamb3 ein Teil des dreiteiligen Laminin 5 Proteins, das die Epidermis und Dermis der Haut verbindet. Wenn das Lamb3 Protein nicht oder zu wenig gebildet wird, so kann auch das Laminin 5 Protein nicht gebildet werden und es kommt zu einer schweren Form der Hautblasenkrankheit, Epidermolysis Bullosa, der Krankheit der „Schmetterlingskinder“. An der Univ.-Klinik für Dermatologie, unter Leitung von Prof. Dr. Helmut Hintner und im EB Haus Austria, unter Leitung von Prof. Dr. Johann W. Bauer, wurden diese Pilotstudien durchgeführt. Ziel ist es, Substanzen und Interventionen zu finden, die personalisierte Ribosomen in Hautzellen von Patienten generieren und dort zur vermehrten Produktion von funktionsfähigem Lamb3 Protein führen.

Diese Studien der Salzburger Forscher wurde zusammen mit Kollegen von der Universität Kent, Prof. Dr. Mick Tuite und Prof. Dr. Tobias van der Haaar, in PLoS One publiziert: http://www.plosone.org/article/fetchObject.action?uri=info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0067609&representation=PDF

Universitätsprofessorin Dr. Lore Breitenbach Koller und ihren Kooperationspartnern gelang es, neue, unerwartete Funktionen der Ribosomen aufzuklären.