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2025-01-19T23:40:21Z

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{{Infobox GO-Terminus
| Typ = P
| GO = 0071712
| Eltern = ER-Proteinabbau<br />Antwort auf Proteinfehlfaltung<br />Abbau fehlgefalteter oder unvollständiger Proteine
}}Die '''Proteinqualitätskontrolle''' ([[Englische Sprache|engl.]] ''protein quality control'') ist in [[Eukaryoten|eukaryotischen]] [[Zelle (Biologie)|Zellen]] ein zellulärer Schutzmechanismus, der für die Aufrechterhaltung eines funktionierenden [[Proteom]]s und zum Überleben der Zelle von grundlegender Wichtigkeit ist. Alle in einer Zelle synthetisierten [[Sekretion|sekretorischen]] Proteine werden in das [[Endoplasmatisches Retikulum|Endoplasmatische Retikulum]] (ER) transportiert und dort einer Qualitätskontrolle unterzogen. Falsch [[Proteinfaltung|gefaltete Proteine]] werden über das [[zytosol]]ische [[Proteasom|Ubiquitin-Proteasom-System]] abgebaut. Die korrekt gefalteten Proteine werden zu ihren Bestimmungsorten, beispielsweise dem [[Lysosom]], dem [[Golgi-Apparat]], der [[Zellmembran]] oder dem [[Extrazellularraum]], transportiert.<ref>C. Taxis, S. 6.</ref>

== Beschreibung ==
Für die Funktion eines Proteins ist dessen korrekte [[Primärstruktur|Primär-]] und [[Tertiärstruktur]] von entscheidender Wichtigkeit. Nur richtig gefaltete Proteine können fehlerfrei funktionieren und Fehler in der Proteinfaltung führen zu alternativen Strukturen die biologisch nicht aktiv sind. Die Ursachen für eine falsche Proteinfaltung können unterschiedlicher Natur sein. [[Genmutation]]en in [[Exon]]s, die zu Veränderungen in der [[Aminosäuresequenz]], also der [[Primärstruktur]] des [[Genprodukt]]es führen, haben unmittelbare Einflüsse auf die Sekundär- und Tertiärstruktur, beziehungsweise auf die Proteinfaltungskinetik. Auch Fehler bei der [[Transkription (Biologie)|Transkription]] oder der [[Translation (Biologie)|Translation]] können zu Fehlfaltungen der Proteine führen. Man nennt diese fehlerhaften Proteine ‚[[defekte ribosomale Produkte]]‘ ([[Englische Sprache|engl.]] ''defective ribosomal products'', DRiPs).<ref name="PMID8757297">J. W. Yewdell, L. C. Antón, J. R. Bennink: ''Defective ribosomal products (DRiPs): a major source of antigenic peptides for MHC class I molecules?'' In: ''Journal of Immunology.'' Band 157, Nummer 5, September 1996, S. 1823–1826, PMID 8757297. (Review).</ref>
Etwa 30 % aller [[Polypeptid]]e und Proteine, die eine Säugetierzelle produziert, werden mit einer Halbwertszeit von weniger als zehn Minuten durch [[Proteasom]]en abgebaut, weil sie nicht korrekt gefaltet sind.<ref name="PMID10783891">U. Schubert, L. C. Antón u. a.: ''Rapid degradation of a large fraction of newly synthesized proteins by proteasomes.'' In: ''[[Nature]].'' Band 404, Nummer 6779, April 2000, S. 770–774, [[doi:10.1038/35008096]]. PMID 10783891.</ref><ref name="PMID15917638">S. B. Qian, J. R. Bennink, J. W. Yewdell: ''Quantitating defective ribosome products.'' In: ''Methods in Molecular Biology.'' Band 301, 2005, S. 271–281, [[doi:10.1385/1-59259-895-1:271]]. PMID 15917638.</ref> Der Anteil an Fehlfaltungen ist von Protein zu Protein recht unterschiedlich. Bei empfindlichen und komplex aufgebauten Proteinen, wie beispielsweise ''[[Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator]]'' (CFTR), kann der Anteil an Fehlfaltungen 60 bis 80 % betragen.<ref name="PMID9922380">R. R. Kopito: ''Biosynthesis and degradation of CFTR.'' In: ''Physiological reviews.'' Band 79, Nummer 1, 1999, S. S167–S173, PMID 9922380. (Review).</ref> Zu den durch Produktionsfehler entstandenen DRiPs kommen noch Proteine hinzu, die durch toxische Einflüsse, wie beispielsweise [[ionisierende Strahlung]], die eine [[Proteinoxidation]] bewirken kann, geschädigt wurden und deshalb ihre Funktion in der Zelle nicht mehr erfüllen können. Für eine Zelle ist das Erkennen und der Abbau fehlgefalteter und defekter Proteine überlebenswichtig, da sie sonst die Zelle nachhaltig schädigen würden.

Zur Sicherung der Qualität der Proteine entwickelte sich im Laufe der [[Evolution]] ein mehrstufiges System, das in drei Phasen abläuft. In der ersten Phase, dem sogenannten ''Proofreading'' ([[Deutsche Sprache|dt.]] ‚Korrekturlesen‘) wird das Protein überprüft. In der zweiten Phase wird versucht das Protein mit aktiver Unterstützung zu falten. Misslingt dieser Versuch, so wird das Protein abgebaut. Gelingt er, erfolgt der Proteintransport zu seinem Bestimmungsort. Diese beiden Möglichkeiten sind die dritte Phase. In allen drei Phasen spielen [[Chaperon (Protein)|Chaperone]] (dt. ‚Anstandsdamen‘) eine zentrale Rolle. Diese Proteine helfen bei der Erkennung von fehlerhaften Proteinen. Sie dienen als Plattform für die Protein-Kompartimentierung (der Proteinzuordnung in bestimmte [[Zellkompartiment]]e) und -Assemblierung (der Zusammenlagerung einzelner Proteinkomponenten zu Strukturen höherer Ordnung).<ref name="hilt">{{Literatur |Autor=Wolfgang Hilt |Titel=Das Ubiquitin-Proteasom-System in Proteinqualitätskontrolle und Regulation |Sammelwerk=Biospektrum |Nummer=4 |Datum=2005 |ISSN=0947-0867 |Seiten=446-449 |Online=https://www.biospektrum.de/system/files/magazine_article/2006/03/files/86706/86706.pdf |Format=PDF |KBytes=844 |Abruf=2023-05-06}}</ref>

Von den fehlgefalteten Proteinen wird etwa Dreiviertel über das Standard-26S-Proteasom abgebaut, wobei der Abbau über die Aktivität des [[Hitzeschockprotein]]s [[Hsp70|Hsc70]] reguliert wird. Co-Chaperone unterstützen Hsc70 beim Transport der DRiPs zum Proteasom. [[Ubiquitin]] wird als molekulares Signal über das Co-Chaperon [[CHIP (Protein)|CHIP]] kovalent über den [[C-Terminus]] an die DRiPS gebunden. Das Signal ist im Proteasom wichtig zur Erkennung, dass dieses Protein abgebaut werden soll.<ref name="PMID15571814">C. Esser, S. Alberti, J. Höhfeld: ''Cooperation of molecular chaperones with the ubiquitin/proteasome system.'' In: ''[[Biochimica et biophysica acta]].'' Band 1695, Nummer 1–3, November 2004, S. 171–188, [[doi:10.1016/j.bbamcr.2004.09.020]]. PMID 15571814. (Review).</ref> Die Aktivität von Hsc70 wird über das Protein HSJ1 (auch als DNAJB2 – ein [[Homologie (Biologie)|Homolog]] von HSP40 – bezeichnet) geregelt. HSJ1 stimuliert die [[Hydrolyse]] von ATP am Hsc70, damit dieses stabil an die Polypeptidkette binden kann. Das ubiquitinierte Polypeptid wird zudem von HSJ1 abgeschirmt, damit das Ubiquitin nicht vor dem Eintreffen im Proteasom abgespalten wird.<ref>{{Literatur |Autor=Sylvia Feil |Titel=Protein-Qualitätskontrolle |Sammelwerk=[[Chemie in unserer Zeit]] |Band=39 |Nummer=5 |Datum=2005-10 |Seiten=308–308 |DOI=10.1002/ciuz.200590065}}</ref>

Das restliche Viertel an falsch gefalteten Proteinen wird ohne [[Ubiquitin]]ierung durch das 20S-Proteasom, unabhängig von den 19S-Regulatoren und weitgehend ohne Einfluss der Aktivität von Hsp70, zerlegt.<ref name="PMID16263705">S. B. Qian, M. F. Princiotta u. a.: ''Characterization of rapidly degraded polypeptides in mammalian cells reveals a novel layer of nascent protein quality control.'' In: ''[[The Journal of biological chemistry]].'' Band 281, Nummer 1, Januar 2006, S. 392–400, [[doi:10.1074/jbc.M509126200]]. PMID 16263705.</ref> Falsch gefaltete Proteine stellen den größten Anteil der durch das Proteasom abgebauten Proteine und sind die wichtigste Quelle für [[Selbstantigen]]e des [[Haupthistokompatibilitätskomplex]]es I (MHC I).<ref name="PMID16263705" /> Eine Ansammlung fehlgefalteter Proteine im [[Endoplasmatisches Retikulum|endoplasmatischen Retikulum]] führt zur [[Unfolded Protein Response]].

Die Proteinqualitätskontrolle findet in der Zelle an drei bisher bekannten Orten statt.
* Im [[Zytoplasma]] (zytoplasmatische Proteinqualitätskontrolle) binden Hsp70-Chaperone während der Proteinbiosynthese oder kurz danach an die Polypeptide und unterstützen unter dem Verbrauch von [[Adenosintriphosphat|ATP]] den Faltungsprozess.<ref name="hilt" />
* Etwa 20 % aller Proteine werden über den sekretorischen Weg durch die Zellmembran hindurch aufgenommen. Diese Proteine stammen entweder von anderen Zellen, die diese Proteine sezernieren, oder aus exogenen Quellen, beispielsweise intravenös applizierten Arzneimitteln auf Proteinbasis (z. B. im Rahmen einer [[Enzymersatztherapie]]). Zum Transport durch die Zellmembran werden diese Proteine vollständig entfaltet und müssen dann innerhalb der Zellen wieder korrekt gefaltet werden. Proteine die falsch gefaltet oder nicht-assembliert sind, werden an ihrem Weitertransport in ihr Zielkompartiment, beispielsweise das [[Lysosom]], gehindert, aus dem endoplasmatischen Retikulum herausgezogen und im Zytoplasma proteasomal abgebaut.<ref name="hilt" />
* Im [[Zellkern]] werden zwar keine Proteine synthetisiert, es findet dort aber dennoch eine Proteinqualitätskontrolle über die [[Ubiquitin-Ligase]] San1 statt. Dieses Enzym bewirkt im Zellkern die Ubiquitinierung von Proteinen, die im Verlauf ihrer Lebensdauer durch Schädigung abnormal wurden.<ref name="hilt" /><ref name="PMID15797374">T. Sommer, C. Hirsch: ''San1p, checking up on nuclear proteins.'' In: ''[[Cell (Zeitschrift)|Cell]].'' Band 120, Nummer 6, März 2005, S. 734–736, [[doi:10.1016/j.cell.2005.03.003]]. PMID 15797374.</ref><ref name="PMID15797381">R. G. Gardner, Z. W. Nelson, D. E. Gottschling: ''Degradation-mediated protein quality control in the nucleus.'' In: ''Cell.'' Band 120, Nummer 6, März 2005, S. 803–815, [[doi:10.1016/j.cell.2005.01.016]]. PMID 15797381.</ref>

== Medizinische Aspekte ==
Für jede Zelle, und letztlich für den gesamten Organismus, ist der Abbau fehlerhafter Proteine und die Aufrechterhaltung eines funktionierenden [[Proteom]]s von essentieller Wichtigkeit. Dies zu gewährleisten ist die Aufgabe der Proteinqualitätskontrolle. Störungen des Gleichgewichts der Proteinqualitätskontrolle zwischen Proteinfaltung und Degradation führen zu schwerwiegenden Erkrankungen, die in drei Gruppen unterteilt werden können.<ref name="PMID17928587" />
* Die erste Gruppe bilden Krankheiten, bei denen durch die Fehlfaltung ein unmittelbarer Funktionsverlust eines Proteins vorliegt (''loss of function''). Dazu gehören beispielsweise [[Diabetes mellitus]] und [[Zystenniere]]n, sowie die eher seltenen lysosomalen Speicherkrankheiten (z. B. [[Morbus Gaucher]] und [[Morbus Fabry]]), das [[Tay-Sachs-Syndrom]] und das [[Laron-Syndrom]].<ref name="PMID17928587" />
* In der zweiten Gruppe finden sich die Erkrankungen, bei denen der Abbau fehlgefalteter Proteine unzureichend ist. Der große Raumbedarf nicht abgebauter, falsch gefalteter oder defekter Proteine schädigt die Zelle. Des Weiteren sind auch die Interaktion der DRiPs mit anderen Reaktionspartner für die Zelle ungünstig. Dabei können sich unlösliche toxische Aggregate bilden, die sich ebenfalls in der Zelle ansammeln (''gain of toxic function''). Für eine Reihe von Erkrankungen, speziell [[Neurodegenerative Erkrankung|neurodegenerativer Art]], wie beispielsweise [[Alzheimer-Krankheit]], [[Parkinson-Krankheit]] und [[Chorea Huntington]], sind solche Proteinaggregate ein zentrales oder gar ursächliches Phänomen.<ref name="hilt" /> Auch bei [[Diabetes insipidus]], [[Retinopathia pigmentosa]] und [[Marfan-Syndrom]] spielen Proteinablagerungen eine zentrale Rolle.<ref name="PMID17928587" />
* Veränderungen in Faktoren die im Endoplasmatischen Retikulum oder Zytosol für die Biogenese oder [[Proteolyse]] von Proteinen zuständig sind – also unmittelbar der Proteinqualitätskontrolle dienen – bilden die dritte Gruppe von Erkrankungen. Die Veränderungen können durch Mutationen oder [[Genexpression|Überexpressionen]], beispielsweise der (Co)-Chaperone, hervorgerufen werden. Zu diesen Erkrankungen gehören unter anderem einige bestimmte [[Karzinom]]e, [[Zystenleber|polyzystische Lebererkrankungen]] und das [[Marinesco-Sjögren-Syndrom]].<ref name="PMID17928587" />

Es gibt auch Erkrankungen, bei denen sowohl der Funktionsverlust, als auch die toxische Proteinablagerung pathologisch werden. Ein Beispiel hierfür ist der [[Alpha-1-Antitrypsin-Mangel]]. Eine [[Mutation]] im ''SERPINA1''-Gen, das für das [[Akute-Phase-Protein]] [[α-1-Antitrypsin]] – ein [[Proteaseinhibitoren|Proteaseinhibitor]] – [[Genetischer Code|kodiert]], bewirkt eine Fehlfaltung von α-1-Antitrypsin. α-1-Antitrypsin wird im Wesentlichen von [[Hepatozyt]]en in der [[Leber]] exprimiert. Wegen der Fehlfaltung kann es nicht von den Hepatozyten sezerniert werden und es bildet intrazelluläre Ablagerungen. Der Funktionsverlust führt bei den betroffenen Patienten zu einem [[Progredienz|progredienten]] [[Lungenemphysem]], da durch den Mangel an α-1-Antitrypsin das Enzym [[Leukozytenelastase]] (engl. ''human leukocyte elastase'', HLE) ungebremst das Lungengerüst zerstören kann. Die Ablagerungen von α-1-Antitrypsin in den Hepatozyten führen parallel zum Lungenemphysem zu einer [[Leberzirrhose]].<ref name="PMID17928587" />

== Pharmakologische Aspekte ==
Eine Vielzahl von genetischen Erkrankungen, die auf einer [[Loss-of-function-Mutation]] beruhen, werden nicht durch eine verminderte Funktion des Proteins, sondern durch eine signifikant reduzierte Faltungskinetik verursacht. Diese Proteine sind also prinzipiell voll funktionsfähig, werden aber durch die Proteinqualitätskontrolle wegen ihrer Falschfaltung ausgesondert und abgebaut.<ref name="PMID17928587">D. N. Hebert, M. Molinari: ''In and out of the ER: protein folding, quality control, degradation, and related human diseases.'' In: ''Physiological reviews.'' Band 87, Nummer 4, Oktober 2007, S. 1377–1408, [[doi:10.1152/physrev.00050.2006]]. PMID 17928587. (Review).</ref> Dies ist beispielsweise bei vielen [[Lysosomale Speicherkrankheit|lysosomalen Speicherkrankheiten]] der Fall. Ein therapeutischer Ansatz ist die [[Chaperon-Therapie]]. Dabei soll die Verabreichung von [[Pharmakologisches Chaperon|pharmakologischen Chaperonen]] die Proteinfaltungskinetik der lysosomalen Enzyme positiv beeinflussen. Die pharmakologischen Chaperone sind reversible Inhibitoren, die dem Enzym als [[Templat (Chemie)|Templat]] dienen.<ref name="PMID19106170">S. Ishii, H. H. Chang u. a.: [http://jpet.aspetjournals.org/content/328/3/723.long ''Preclinical efficacy and safety of 1-deoxygalactonojirimycin in mice for Fabry disease.''] In: ''[[Journal of pharmacology and experimental therapeutics]].'' Band 328, Nummer 3, März 2009, S. 723–731, [[doi:10.1124/jpet.108.149054]]. PMID 19106170.</ref><ref name="PMID18381081">R. Hamanaka, T. Shinohara u. a.: ''Rescue of mutant alpha-galactosidase A in the endoplasmic reticulum by 1-deoxygalactonojirimycin leads to trafficking to lysosomes.'' In:
''[[Biochimica et biophysica acta]].'' Band 1782, Nummer 6, Juni 2008, S. 408–413, [[doi:10.1016/j.bbadis.2008.03.001]]. PMID 18381081.</ref>

Der [[Arzneistoff]] [[Bortezomib]] greift als Proteasominhibitor unmittelbar in die Proteinqualitätskontrolle ein. Durch die Blockade des Proteasoms werden lebensnotwendige Proteolyse-Prozesse in den Zellen unterdrückt.<ref name="oeaz">ÖAZ aktuell: {{Webarchiv | url= http://www.oeaz.at/zeitung/3aktuell/2003/15/serie/serie15_2003wirk.html | wayback = 20070930184920 | text = ''Bortezomib.''}}</ref> Davon sind sowohl gesunde als auch [[Malignität|maligne]] Zellen ([[Krebs (Medizin)|Krebszellen]]) betroffen. Im Gegensatz zu den Krebszellen können sich die normalen Zellen wieder regenerieren, wenn die Behandlung zu bestimmten Zeitpunkten unterbrochen wird. Bortezomib ist in Europa zur Behandlung des [[Multiples Myelom|multiplen Myeloms]] zugelassen.<ref name="myelom">myelom.at: {{Webarchiv |url=http://www.myelom.at/de/therapie/velcade.htm |wayback=20120115042955 |text=''Velcade® – Wirkstoff Bortezomib.''}} Abgerufen am 10. Oktober 2011.</ref>

== Weiterführende Literatur ==
* D. N. Hebert, M. Molinari: ''In and out of the ER: protein folding, quality control, degradation, and related human diseases.'' In: ''[[Physiological reviews]].'' Band 87, Nummer 4, Oktober 2007, S. 1377–1408, [[doi:10.1152/physrev.00050.2006]]. PMID 17928587. (Review).
* J. X. Liu, S. H. Howell: ''Endoplasmic reticulum protein quality control and its relationship to environmental stress responses in plants.'' In: ''The Plant cell.'' Band 22, Nummer 9, September 2010, S. 2930–2942, [[doi:10.1105/tpc.110.078154]]. PMID 20876830. {{PMC|2965551}}. (Review).
* M. S. Willis, W. H. Townley-Tilson u. a.: ''Sent to destroy: the ubiquitin proteasome system regulates cell signaling and protein quality control in cardiovascular development and disease.'' In: ''[[Circulation Research]].'' Band 106, Nummer 3, Februar 2010, S. 463–478, [[doi:10.1161/CIRCRESAHA.109.208801]]. PMID 20167943. {{PMC|2826711}}. (Review).
* C. Zhang, A. J. Saunders: ''An emerging role for Ubiquilin 1 in regulating protein quality control system and in disease pathogenesis.'' In: ''Discovery medicine.'' Band 8, Nummer 40, Juni 2009, S. 18–22, PMID 19772837. {{PMC|3158983}}. (Review).
* W. Scheper, J. J. Hoozemans: ''Endoplasmic reticulum protein quality control in neurodegenerative disease: the good, the bad and the therapy.'' In: ''[[Current Medicinal Chemistry]].'' Band 16, Nummer 5, 2009, S. 615–626, PMID 19199926. (Review).
* S. Besser: [http://elib.uni-stuttgart.de/opus/volltexte/2012/7093/pdf/gesamte_Doktorarbeit_Endversion_StefanieBesser2012.pdf ''Die Endoplasmatisches Retikulum assoziierte Degradation (ERAD) eines fehlgefalteten Membran verankerten Proteins mit variierender zytoplasmatischer Domäne und die Entdeckung eines neuen ERAD-Weges.''] Dissertation, Universität Stuttgart, 2012.
* T. Bender: [http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8089/ ''Die kooperative Wirkungsweise von Faltungshelferproteinen und Proteasen bei der Proteinqualitätskontrolle in Mitochondrien.''] Dissertation, Universität Freiburg, 2011.
* J. Weski: [http://duepublico.uni-duisburg-essen.de/servlets/DocumentServlet?id=22718 ''Das Netzwerk der periplasmatischen Proteinqualitätskontrolle in E.coli.''] Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2010.
* M. Fehlker: [http://edoc.hu-berlin.de/dissertationen/fehlker-marion-2004-07-16/HTML/chapter2.html ''Studien zur Funktion des Proteasomen-assoziierten Proteins Blm3 in Saccharomyces cerevisiae.''] Dissertation, Humboldt-Universität zu Berlin, 2004.
* R. Hitt: [http://elib.uni-stuttgart.de/opus/volltexte/2003/1487/pdf/Hitt_Diss_epub.pdf ''Proteinqualitätskontrolle im endoplasmatischen Retikulum:Identifizierung und Charakterisierung von Komponenten des Abbaus missgefalteter sekretorischer Proteine.''] Dissertation, Universität Stuttgart, 2003.
* C. Taxis: [http://elib.uni-stuttgart.de/opus/volltexte/2002/1204/index.html ''Proteinqualitätskontrolle im endoplasmatischen Retikulum: Variationen im Abbaumechanismus von löslicher und membrangebundener missgefalteter CarboxypeptidaseY (CPY*).''] Dissertation, Universität Stuttgart, 2002.

== Einzelnachweise ==
<references />

{{SORTIERUNG:Proteinqualitatskontrolle}}
[[Kategorie:Genexpression]]

Proteinqualitätskontrolle - Versionsgeschichte

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