Misfolding or unfolding of polypeptides can occur as a consequence of environmental stress and spontaneous mutation. The abundance of general chaperones and proteases suggests that cells distinguish between proteins that can be refolded and "hopeless" cases fated to enter the proteolytic pathway. The mechanisms controlling this key metabolic decision are not well understood. We show here that the widely conserved heat shock protein DegP (HtrA) has both general molecular chaperone and proteolytic activities. The chaperone function dominates at low temperatures, while the proteolytic activity is present at elevated temperatures. These results show that a single cellular factor can switch between two key pathways, controlling protein stability and turnover. Implications of this finding for intracellular protein metabolism are discussed.

Unleashing the proteolytic activity of DegP: A study with synthetic mimics of cellular stress signals reveals an allosteric (chemical) activation mechanism of the bacterial HtrA protease DegP, leading to a fine‐tuned amplification of protein degradation during bacterial protein quality control (see scheme: binding of a peptide sequence (circles) increases activation. The nature of the penultimate residue (red) is shown to be decisive).

Die zelluläre Proteinqualitätskontrolle (PQK) überwacht die strukturelle und funktionale Integrität und die Lokalisierung von Proteinen und ist insbesondere unter erhöhten Stressbedingungen, wie sie z. B. während des Hitzeschocks vorliegen, essenziell.[1] Da Proteinfehlfaltungen jedoch auch unter homöostatischen Bedingungen auftreten können, ist eine effiziente PQK unter allen Umweltbedingungen lebensnotwendig. Ein Versagen der PQK führt häufig zur Bildung von Proteinaggregaten, die im Mittelpunkt einer Vielzahl schwerer Erkrankungen wie der Alzheimerschen oder Parkinsonschen Krankheit stehen.[2] Darüber hinaus steht die PQK auch im Zusammenhang mit der Virulenz pathogener Bakterien, da die Überlebensrate in Wirtszellen von einer funktionierenden PQK abhängt.[3] Dementsprechend könnte die selektive Hemmung der PQK in Bakterien eine vielversprechende Strategie für die Entwicklung neuartiger Antibiotika sein.Die zwei HtrA-Proteasen (Htr = high temperature requirement) DegP und DegS tragen entscheidend zu einer effizienten PQK im bakteriellen Periplasma bei. HtrA-Proteasen unterschiedlicher Organismen sind stark konserviert und sind modular aus einer Chymotrypsin-artigen Proteasedomäne und einer oder zwei PDZ-Domänen aufgebaut. [4] Ihre proteolytische Aktivität wird durch zelluläre Stress-Signale reguliert, die ein reversibles Anschalten der Proteasen bewirken. Eine Untersuchung solcher Stress-Signale führte zur Aufklärung eines allosterischen Aktivierungsmechanismus bei der HtrA-Protease DegS. Als Aktivierungssignal konnte die Bindung eines falsch lokalisierten Membranproteins der äußeren Zellhülle an die PDZ-und Proteasedomäne von DegS identifiziert werden.[5] Die Aktivierung von DegS induziert eine proteolytische Signalkaskade, die in der erhöhten Expression von DegP mündet.[6] Der proteolytische Abbau der fehlgefalteten Proteine im Periplasma wird dann von der Substrat-unspezifischen Protease DegP übernom-men.DegP ist aus einer Protease-und zwei PDZ-Domänen aufgebaut und bildet komplexe, multimere Partikel. Es kann sowohl als Chaperon (Proteinreparaturfaktor) wie auch als Protease wirken und schaltet temperaturabhängig zwischen diesen beiden Funktionen um. [7] Bei niedrigen Temperaturen erfüllt DegP die Funktion eines Chaperons, bei höheren Temperaturen jedoch dominiert die Proteaseaktivität, sodass bei 37 8C bereits eine ausgeprägte proteolytische Aktivität vorliegt. Trotz der Aufklärung der molekularen Struktur der Chaperonkonformation von DegP [8] ist die Regulation der beiden katalytischen Aktivitäten von DegP bisher noch nicht verstanden. Ziel der vorliegenden Studie war die Untersuchung der Fragestellung, ob neben der bereits bekannten temperaturabhängigen Proteaseaktivierung von DegP auch ein zusätzlicher, chemischer Regulationsmechanismus existiert. Da DegP bei 37 8C bereits merklich proteolytisch aktiv ist, sollte ein solcher Aktivierungsmechanismus zu einer Verstärkung der temperaturabhängigen Proteolyse führen.Ein chromogenes Peptidsubstrat ist ein wertvolles Hilfsmittel zum Studium der Proteolyseakti...