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Bakterielle Einschlusskörper - Inclusion Bodies

Proteinfaltung und Biotechnologie

Abb.1
Anzucht tierischer Zellen als Expressionsystem für Proteine
Institut für Technische Chemie, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover

Viele in Biotechnologie, Chemie oder Pharmazie verwendete Proteine werden in großen Mengen benötigt. Die Klonierung entsprechender Gene und ihre Expression im heterologen System (Bakterien wie E. coli, Hefen, tierische oder pflanzliche Zellen) ermöglicht eine zumeist einfache Produktion dieser Proteine in großer Menge. Auch die Isolierung und Analyse vieler Proteine in der Grundlagenforschung wäre ohne eine Anreicherung durch Überexpression im heterologen System erheblich aufwändiger.

Aber in der Praxis treten bei dieser Methode sehr oft Probleme auf. Die biotechnologische Produktion rekombinanter Proteine in Bakterien oder anderen Expressionssystemen liefert in vielen Fällen inaktives Protein. Gründe dafür sind z.B.

  • unphysiologisch hohe Konzentration des Proteins in der Wirtszelle. Dies ist vor allem bei regulatorischen Proteinen ein Problem, da diese unter natürlichen Bedingungen nur in sehr geringen Mengen produziert werden
  • die Synthese eines Proteins ist unter natürlichen Bedingungen häufig begleitet durch Co-Expression von Proteinen, die bei der Faltung relevant sind (Chaperone, Rotamasen, Proteindisulfid-Isomerasen, Peptidyl-prolyl-cis/trans-Isomerasen u.a.)
  • das Protein benötigt post-translationale Modifikationen, die die Wirtszelle nicht bereitstellen kann (z.B. die Glycosylierung im ER der eukaryotischen Zelle)
  • das Protein wird unter natürlichen Bedingungen sekretiert oder in spezifischen Kompartimenten der Zelle gelagert
  • das intrazelluläre Milieu der Wirtszelle ist anders (pH, Redoxpotential, Konzentration gebundenen Wassers)
  • in der Wirtszelle existieren andere Proteasen

Die Akkumulation hoher Mengen von inaktivem Protein in der Wirtszelle führt zur Bildung von intrazellulären Einschlusskörpern, den sogenannten Inclusion Bodies. Die Bildung von Einschlusskörpern nach Überexpression der β-Galactosidase in E. coli wurden erstmals von der Goldberg-Gruppe 1975 genauer analysiert und damals noch als "Goldbergisomen" bezeichnet.

Einschlusskörper sind dichte, granuläre Strukturen, die meist bei der heterologen Expression von Fremdprotein in einer Zelle entstehen (allerdings tendieren einige Bakterienproteine im homologen System ebenfalls zur Aggregation, wenn sie in großen Mengen in der Zelle synthetisiert werden). Es gibt viele Theorien, warum Einschlusskörper gebildet werden, aber vor allem ist es wohl die Faltung, die hier eine Rolle spielt. Wenn Proteine neu synthetisiert werden, können sie zunächst eine Reihe von Faltungsintermediaten einnehmen, bevor sie in ihre endgültige native Konformation übergehen. Einige dieser Faltungsintemediate tragen hydrophobe Bereiche auf ihrer Oberfläche, die dann später im nativen Protein nach innen gerichtet sind. Bei extrem hoher lokaler Proteinkonzentration können diese hydrophoben Bereiche miteinander in Kontakt treten, was dann zur Aggregation dieser Proteine und Deponierung in Einschlusskörpern führt. Auch andere zur Expression heterologer Proteine verwendeter Zellen (Saccharomyces, Bacillus, COS-7-Zellen u.a.) bilden Einschlusskörper. Die Proteine werden i.d.R. durch Denaturierung aus den Einschlusskörpern isoliert und durch geeignete Verfahren rückgefaltet.

Literatur

Prouty, W. F.; Goldberg, A. L. (1972): Fate of abnormal proteins in E. coli. Accumulation in intracellular granules before catabolism.. In: Nature New Biol.. 240 , 147-150
Prouty, W. F.; Karnovsky, M. J.; Goldberg, A. L. (1975): Degradation of abnormal proteins in E. coli... In: J. Biol. Chem.. 250 , 1112-1122

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