I ricercatori risolvono l'enigma di oltre 25 anni di come le proteine ​​vengono smistate nella cellula. Un complesso proteico noto come NAC (complesso associato al polipeptide nascente) funge da "gatekeeper" nella sintesi proteica, regolando il trasporto delle proteine ​​all'interno della cellula. Il meccanismo molecolare alla base di questa funzione è stato ora chiarito dai biologi cellulari e molecolari di Costanza nell'ambito di un progetto di collaborazione internazionale.

Per il mantenimento delle nostre funzioni cellulari, è essenziale che le proteine ​​vengano trasportate a varie destinazioni all'interno della cellula, denominate "organi cellulari" in analogia agli organi del nostro corpo, mentre sono ancora in fase di sintesi. Ma come è possibile distinguere tra diverse destinazioni di trasporto ed evitare che le proteine ​​raggiungano gli organelli sbagliati? Un team di ricerca internazionale ha ora scoperto come questo complesso processo è controllato a livello molecolare per un'importante destinazione cellulare:il trasporto di proteine ​​nascenti a una rete di membrane della cellula, il reticolo endoplasmatico.

Nella loro attuale pubblicazione sulla rivista Scienza , i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che un complesso proteico noto tra gli esperti come NAC, scoperto più di 25 anni fa, svolge un ruolo decisivo in questo processo:come un gatekeeper, NAC assicura che solo le proteine ​​con il reticolo endoplasmatico come destinazione siano passato al trasportatore proteico SRP (particella di riconoscimento del segnale). SRP quindi media il trasporto del "carico" alla destinazione specificata. Se, invece, una proteina nascente ha una destinazione diversa dal reticolo endoplasmatico, il gatekeeper NAC nega l'accesso al trasportatore proteico SRP.

Fabbrica di proteine

Utilizzando il materiale genetico come modello, migliaia e migliaia di nuove proteine ​​vengono prodotte ogni minuto nelle cellule del nostro corpo. Questa produzione di proteine ​​avviene nei ribosomi, le "fabbriche" cellulari dei nostri corpi, dove i singoli amminoacidi, i mattoni delle proteine, sono assemblati in lunghe catene di amminoacidi. Le proteine ​​risultanti possono successivamente assumere un'ampia varietà di funzioni e di conseguenza avere destinazioni diverse all'interno della cellula. Pertanto, meccanismi di smistamento adeguati spesso garantiscono già durante la produzione di proteine ​​che le proteine ​​raggiungano in modo affidabile la rispettiva posizione all'interno della cellula.

Finora si sapeva che due complessi proteici, i summenzionati NAC e SRP, svolgono un ruolo importante nel trasporto mirato delle proteine ​​nascenti al reticolo endoplasmatico. SRP è la vera e propria "proteina di trasporto" che stabilisce il contatto delle proteine ​​nascenti insieme al ribosoma al reticolo endoplasmatico. Riconosce uno specifico segnale di trasporto che è codificato nella proteina appena sintetizzata. Tuttavia, c'è un problema:l'SRP si lega anche in modo non specifico ai ribosomi che non hanno segnali per il reticolo endoplasmatico.

"Incontrollato, SRP si legherebbe a qualsiasi ribosoma nelle vicinanze e quindi lo trasporterebbe al reticolo endoplasmatico, indipendentemente dal fatto che una proteina con quella destinazione sia attualmente prodotta o meno. Ciò comporterebbe innumerevoli consegne errate che comprometterebbero gravemente la funzione e la vitalità di la cellula", spiega Elke Deuerling, uno degli autori senior dell'attuale studio e professore di microbiologia molecolare all'Università di Costanza. Quindi i ricercatori concludono che esiste un'istanza di controllo che impedisce esattamente questo:il gatekeeper NAC.

Scoprire il meccanismo molecolare

Non era chiaro in che modo esattamente NAC impedisca all'SRP di legarsi in modo non specifico a qualsiasi ribosoma a livello molecolare e garantisca invece che solo i ribosomi corretti vengano trasportati al reticolo endoplasmatico. I biologi di Costanza hanno studiato questa domanda nel loro attuale studio in collaborazione con i colleghi dell'ETH di Zurigo (Svizzera), del MRC Laboratory of Molecular Biology (LMB, Cambridge, Regno Unito) e dei California Institutes of Technology (Caltech, Pasadena, USA).

Per fare ciò, hanno prima simulato i processi nella cellula mescolando ribosomi purificati insieme a NAC e SRP nella provetta. La miscela è stata quindi congelata a una temperatura inferiore a -150 gradi Celsius e il campione è stato esaminato al microscopio elettronico, un metodo noto come microscopia crioelettronica. Ciò ha permesso ai biologi strutturali Dr. Ahmad Jomaa e Dr. Viswanathan Chandrasekaran, coautori dello studio, di rivelare come il NAC si lega ai ribosomi prima e dopo il trasferimento del carico all'SRP. Questa è stata una pietra miliare importante per chiarire il meccanismo del gatekeeper, ma la transizione tra gli stati è rimasta poco chiara.

"La transizione è un processo altamente dinamico che non può essere visualizzato dalla microscopia crioelettronica", spiega il dottor Martin Gamerdinger, uno degli autori principali dell'Università di Costanza. Per comprendere questo processo, lui e il suo team, i ricercatori di dottorato Annalena Wallisch e Zeynel Ulusoy, hanno condotto studi di legame biochimico ad alta risoluzione che hanno rivelato in dettaglio il meccanismo di interazione della NAC sui ribosomi a seconda del tipo di proteina sintetizzata.

NAC come guardiano

Utilizzando questo metodo e la ricostruzione assistita da computer delle strutture 3D, nonché gli esperimenti del Dr. Hao-Hsuan Hsieh sulla forza di legame tra i componenti coinvolti, i ricercatori sono riusciti a decifrare come funziona il NAC a livello molecolare. Sulla base dei loro risultati, sono stati in grado di suggerire un meccanismo molecolare dettagliato per la funzione di ordinamento di NAC.

In base a ciò, NAC si lega al ribosoma, in particolare alla sezione in cui la proteina nascente lascia la "fabbrica proteica". Come un gatekeeper, parte di NAC si trova in modo protettivo di fronte a questa uscita, il tunnel ribosomiale, e nega l'accesso SRP al ribosoma e alla proteina nascente. L'accesso è consentito solo quando una sequenza segnale di trasporto per il reticolo endoplasmatico, codificata nella proteina nascente, lascia il tunnel nel corso della sintesi proteica. NAC riconosce questo segnale e cambia la sua posizione sul ribosoma. In questo modo, l'uscita del tunnel ribosomiale viene sbloccata e SRP può ora attraccare all'uscita del tunnel dopo essere stato attivamente reclutato nel ribosoma tramite un "braccio di presa" di NAC, ovvero il dominio UBA. Dopo il legame SRP e il trasferimento della sequenza del segnale, il ribosoma insieme alla proteina nascente viene trasportato al reticolo endoplasmatico.

"Il nostro studio rivela la funzione molecolare del NAC come gatekeeper, garantendo all'SRP l'accesso solo a quelle proteine ​​nascenti la cui destinazione è il reticolo endoplasmatico", il professor Elke Deuerling riassume questo meccanismo di controllo fondamentale. È d'accordo con i suoi partner di cooperazione internazionale, il professor Nenad Ban (ETH Zurigo, Svizzera), il professor Shu-ou Shan (Caltech, Stati Uniti) e il professor Ramanujan Hegde (MRC-LMB, Regno Unito):"Gli studi futuri dovranno dimostrare se anche NAC ha altre funzioni di controllo al tunnel ribosomiale".