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Basierend auf Kristallstrukturen von Hefe-Hsp90 und den im Artikel beschriebenen Einzelmolekülmessungen kann das Schema eines Zyklus der Konformationsänderungen in Hsp90 erstellt werden. Das Hsp90 Dimer durchläuft mehrere öffnen–schließ-Zyklen am C- und N-Teminus, bevor es schließlich zum Monomer auseinanderfällt (nicht gezeigt). Die Bewegungen am C- und N-Terminus sind gekoppelt. Sie finden abwechselnd, aber nicht notwendig sequentiell statt.
[Bild Copyright: C. Ratzke und T. Hugel / TUM]
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Das Antistress-Protein ist ein Dimer (besteht also aus zwei identischen Teilen) und kann grob in drei Abschnitte eingeteilt werden: oben der N-Terminus, dann die Mitteldomäne und unten der C-Terminus. Die notwendige Energie für seine Funktion gewinnt Hsp90 durch die langsame Spaltung von ATP, dem Treibstoff jeder Zelle. Dabei bewegen sich die beiden Stränge gegeneinander, allerdings nur um einige Nanometer. TUM-Wissenschaftler um Prof. Johannes Buchner aus der Chemie und Prof. Thorsten Hugel aus der Physik kennen die Hsp90-Bewegung eigentlich gut: Sie waren die ersten, die das scherenartige Verhalten in Echtzeit verfolgt haben. Doch nun waren auch sie überrascht: Denn anstatt der bekannten, einseitigen Scherenbewegung am N-Terminus konnten sie nun eine doppelseitige Wippbewegung nachweisen. Auch am C-Terminus bewegt sich das Hsp90 scherenartig auf und zu – so etwas war bisher bei Dimeren nicht bekannt. Für ihre neue Beobachtung haben die Forscher auf die sog. FRET-Technik (FRET = Förster Resonance Energy Transfer) zurückgegriffen. Sie haben zwei fluoreszierende Farbstoffmoleküle an exakt definierten Stellen im Hsp90 angebracht und als molekulares Lineal benutzt: Beleuchtet man einen Farbstoff, so bringt dieser den zweiten Farbstoff umso heller zum Leuchten, je näher er an diesem ist. So konnten sie unter einem eigens dafür gebauten Spezialmikroskop die doppelte Scherenbewegung im Nanometerbereich an einzelnen Hsp90-Dimeren sehen. Besonders interessant ist, dass die doppelte Scherenbewegung am N- und C-Terminus eng gekoppelt ist: Das Hsp90-Dimer öffnet sich wechselseitig auf der einen oder anderen Seite, wie eine Wippe. „Dies erklärt die hohe Stabilität des Dimers - sonst würde so ein Antistress-Protein viel schneller auseinanderfallen“ erklärt Thorsten Hugel. Sehr überrascht hat sein Team auch die Regulation der Geschwindigkeit dieser Wippbewegung: Denn verantwortlich für die Regulation der Schere am C-Terminus ist die ATP-Bindung, die am N-Terminus stattfindet. Das konnten die Forscher nachweisen, indem sie dem Dimer die Energiezufuhr ATP abdrehten. Die Schlussfolgerung des Teams: Hsp90 kommuniziert intern über ungewöhnlich weite Strecken – fast zehn Nanometer. Das beobachtete Bewegungs- und Kommunikationsmuster ist für die Grundlagenforschung interessant, aber gleichzeitig auch für die Pharmaindustrie: Denn Hsp90 gilt als vielversprechender Ansatzpunkt für die Krebstherapie. Bisher aussichtsreiche Medikamente blockieren am N-Terminus des Antistress-Proteins die Aufnahme von ATP. Dabei wird jedoch gleichzeitig auch bei anderen Proteinen die Energiezufuhr behindert – ungewollte Nebenwirkungen sind die Folge. Dank ihrer neuen Erkenntnisse können sich die TUM-Forscher nun auf den C-Terminus von Hsp90 konzentrieren: „Dort gibt es einzigartige Andockstellen für Krebsmedikamente, die eine Wirkung ohne Nebeneffekte haben sollten“, hofft Hugel. Die Arbeit wurden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, den Fonds der Chemischen Industrie und die beiden Exzellenzcluster Nanoinitiative München (NIM) und Munich Center for Integrated Protein Science (CIPSM) unterstützt.
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