Die Übersetzungsmaschinerie

Die einzelnen Schritte im Translationsprozess: Für das Einhalten des Leserasters ist die dritte Bindestelle, die E-Stelle, unverzichtbar.

Die Fähigkeit, sich gegen die antimikrobielle Wirkung zu schützen, kann auf einer Veränderung der Zielstrukturen beruhen, an denen das Antibiotikum ansetzt. Streptomycin-Resistenz war ein prominentes Problem, das Masayasu Nomura, damals an der Universität von Wisconsin (USA), 1969 mit seinen Mitarbeitern lösen konnte: Die Wissenschaftler isolierten Ribosomen aus dem Cytoplasma resistenter und sensitiver Zellen, trennten sie in ihre Untereinheiten auf und stellten daraus sogenannte „Hybrid-Ribosomen" her, deren Empfindlichkeit gegenüber dem Antibiotikum sie dann erneut testeten. Das Ergebnis: Die Resistenz-Eigenschaften wurden offenbar durch die kleine ribosomale Untereinheit vermittelt. Im nächsten Schritt untersuchten sie Komponente für Komponente der kleinen Untereinheit, indem sie diese jeweils austauschten, und konnten schließlich ein verändertes ribosomales Protein als Resistenz-auslösend identifizieren.

Auf der Suche nach weiteren Komponenten, die eine Antibiotika-Bindung an das Ribosom ermöglichen, bedienten sich Heinz-Günther Wittmann und sein Mitarbeiter Knud Nierhaus am Max-Planck-Institut für molekulare Genetik in Berlin Ende der 1970er-Jahre einer ähnlichen Strategie. Ein ribosomaler Baustein nimmt allerdings im isolierten Zustand nicht dieselbe Konformation ein wie im Ribosom. Möglich also, dass der Baustein im Ribosom eine Bindestelle trägt, die im isolierten Zustand wegen anderer Konformation das Antibiotikum nicht bindet. Der Baustein könnte aber auch dafür verantwortlich sein, dass das Ribosom überhaupt erst eine Konformation einnimmt, in der das Antibiotikum gebunden werden kann. Die eigentliche Bindestelle kann dann auf einem ganz anderen Baustein liegen. „Solange keine hoch auflösenden Strukturanalysen vorlagen, konnten wir diese Fälle nicht unterscheiden", erzählt Knud Nierhaus - doch für eine Röntgenstrukturanalyse mussten die Makromoleküle erst einmal kristallisiert werden.

Dabei waren Ribosomen schon 1953 beschrieben und kurz darauf auch aus dem Plasma eukaryotischer und prokaryotischer Zellen isoliert worden. Es zeigte sich, dass man prinzipiell zwei Typen von Ribosomen unterscheiden kann: den eukaryotischen 80S-Typ und den prokaryotischen 70S-Typ (wobei S, die Svedberg-Konstante, ein Maß für das Sedimentationsverhalten und damit die Größe ist). Ribosomen sind asymmetrisch aufgebaut: Sie bestehen aus einer kleinen und einer großen Untereinheit. Während die 80S-Ribosomen der Eukaryoten aus einer 40S- und 60S-Untereinheit zusammengesetzt sind, bestehen die 70S-Ribosomen aus einer 30S- und einer doppelt so schweren 50S-Untereinheit. Mehr als 50 verschiedene Proteine (ribosomale Proteine) und drei bis vier längere RNA-Fäden (ribosomale RNA, kurz: rRNA) sind am Aufbau der beiden Untereinheiten beteiligt.

Das Ribosom ist die „Übersetzungsmaschine" von der genetischen Bauanleitung in Form eines mRNA-Transkripts in die Aminosäuresequenz eines Proteins. Ein „RNA-Wort" aus drei Nukleotiden (wobei die RNA neben Adenin, Cytosin und Guanin im Unterschied zur DNA das Nukleotid Uridin statt Thymidin enthält) legt dabei eine bestimmte Aminosäure in der Sequenz des zu synthetisierenden Proteins fest. Sobald dieses Nukleotidtriplett, Codon genannt, in das aktive Zentrum des Ribosoms gelangt, koppelt es dort an die komplementäre Sequenz einer Transfer-RNA (tRNA) - das Anticodon -, die in ihrem Gepäck die entsprechende Aminosäure trägt. Aufgrund unterschiedlicher Erkennungssignale und Kontrollmechanismen am 5'-Ende "vor" jenem Teil der Boten-RNA, der die eigentliche Proteininformation trägt, kann eine aus Bakterien stammende mRNA an den Ribosomen von Eukaryoten allerdings nicht „übersetzt" werden. Umgekehrt funktioniert es ebenso wenig - „es sei denn, man setzt z.B. die bakteriellen Erkennungssignale vor die eukaryotische Boten-RNA, was heute schon zur Proteingewinnung in industriellem Maßstab gemacht wird", erklärt Nierhaus.

Im Cytoplasma einer Zelle liegen die beiden Untereinheiten getrennt vor. Um mit der Synthese eines Proteins zu beginnen, lagert sich zunächst die kleine Untereinheit an ein Molekül Boten-RNA. Sie enthält das Dekodierungszentrum und ist für die Übersetzung des genetischen Codes verantwortlich: Die kleine Untereinheit stellt den Rahmen zur Verfügung, in dem Codon und Anticodon aufeinander abgestimmt werden. Ist das Startsignal und das richtige Leseraster gefunden, kommt die große Untereinheit dazu, die die Bildung der Peptidbindung katalysiert und damit die Peptidkette wieder und wieder um jede neu hinzugekommene Aminosäure verlängert. Innerhalb von einer Sekunde können bakterielle Ribosomen etwa 20 Aminosäuren zu einer Peptidkette verknüpfen. Dabei muss die Boten-RNA nach jedem Verlängerungsschritt um exakt ein Codon verschoben werden. Denn genau wie der Satz "die-kuh-kam- auf-die-alm" zu dem sinnlosen "die-kuhk-ama-ufd-iea-lm" wird, verliert auch die Information in der mRNA ihre Bedeutung, wenn das Leseraster nur um eine einzige Nukleotidstelle verschoben wird. Das Prinzip dieses als Translation bezeichneten Vorgangs klingt einfach, aber die Mechanistik, die dahintersteckt, blieb lange rätselhaft.