Ein internationales Forschungsteam aus dem Max-Planck-Institut für Biochemie, der Universitätsmedizin Göttingen und der Universität Toronto hat erstmals die molekulare Innenarchitektur von Proteasom-Speichergranula (PSGs) in intakten Zellen sichtbar gemacht. Mithilfe der Kryo-Elektronentomographie zeigen die Wissenschaftler, dass diese membranlosen Organellen aus vollständig zusammengebauten Proteasomen in einer parakristallinen, teilweise kristallartigen Anordnung bestehen. Die Strukturen halten die Proteasomen in einem inaktiven Zustand und ermöglichen eine schnelle Reaktivierung bei Wiederherstellung der Energieversorgung. Die Ergebnisse wurden in Cell veröffentlicht.

Proteasomen sind große, zylinderförmige Proteinkomplexe, die in allen eukaryotischen Zellen als energieabhängige „Proteinschredder“ fungieren. Sie zerlegen markierte, beschädigte oder überflüssige Proteine in kleine Peptide und verbrauchen dabei ATP. Bei Nährstoff- oder Energiemangel – etwa durch Glukoseentzug oder Blockade der mitochondrialen ATP-Produktion – lagern Hefezellen ihre Proteasomen zu membranlosen Proteasom-Speichergranula zusammen. Bislang waren PSGs unter dem Fluoreszenzmikroskop nur als unscharfe Tröpfchen erkennbar.

Die Kryo-Elektronentomographie mit einer Auflösung von 0,9 Nanometern ermöglichte erstmals die Untersuchung der PSGs in ihrer natürlichen zellulären Umgebung. Die Aufnahmen zeigen, dass die Proteasomen zunächst zu Trimeren zusammentreten – eine Struktur, die in Zellen bisher unbekannt war. Diese Trimere stapeln sich zu Fasern, die sich wiederum zu Bündeln organisieren. Die Anordnung ist lokal hochgeordnet und parakristallin, weist jedoch keine perfekte Fernordnung wie bei echten Kristallen auf. Dadurch bleiben die Proteasomen vollständig intakt, aber inaktiv und verbrauchen keine Energie.

„Die Strukturen zerfallen, sobald man versucht, die PSGs zu isolieren“, erklärt Co-Erstautor Dr. Lu Qu vom MPI für Biochemie und der Universitätsmedizin Göttingen. „Nur die Kryo-Elektronentomographie in intakten Zellen hat es uns ermöglicht, diese präzise Organisation zu sehen.“ Bei Zufuhr von Glukose lösen sich die Granula innerhalb einer Stunde wieder auf, und die Proteasomen kehren in ihren funktionsfähigen Zustand zurück.

Die Entdeckung stellt ein neues Paradigma für membranlose Organellen dar. Anders als die klassischen flüssigkeitsähnlichen Tröpfchen (z. B. Stressgranula) basieren PSGs auf spezifischen, wiederholenden Protein-Protein-Wechselwirkungen zwischen strukturierten Molekülmaschinen. „Diese Anordnung erlaubt es der Zelle, energieaufwendig hergestellte Proteasomen sicher in Reserve zu halten und bei Bedarf sofort zu reaktivieren“, sagt Prof. Brenda Schulman, Direktorin am MPI für Biochemie.

Die Ergebnisse haben Bedeutung über die Grundlagenforschung hinaus. Proteasomen spielen eine zentrale Rolle bei der Wirkung von Proteasom-Inhibitoren, die in der Krebstherapie eingesetzt werden. Ein besseres Verständnis ihrer Regulation unter Stress könnte neue Ansätze für die Behandlung von Tumorzellen oder neurodegenerativen Erkrankungen eröffnen, bei denen der Proteinabbau gestört ist.

Die Studie entstand in enger Kooperation zwischen den Arbeitsgruppen von Prof. Brenda Schulman (MPI für Biochemie), Prof. Wolfgang Baumeister (Pionier der Kryo-Elektronentomographie), Dr. Cordula Enenkel und Prof. Oliver Ernst (Universität Toronto). Erstautoren sind Dr. Xiaomeng Tang und Dr. Lu Qu.

Original Paper:

Xiaomeng Tang, Lu Qu, Florian Wilfling, Florian Beck, Oliver P. Ernst, Brenda A. Schulman, Wolfgang Baumeister, Cordula Enenkel: Metabolically regulated proteasome supramolecular organization in situ, Cell, Januar 2026

Redaktion: X-Press Journalistenbüro GbR

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