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In dieser Arbeit wurden die physiologische Funktion innerhalb der Ribosomenbiogenese und die physikalischen Interaktionen des nukleolären, essentiellen Proteins Nep1p in der Hefe Saccharomyces cerevisiae untersucht. Durch Hefe-Zwei-Hybrid-Experimente und biochemische Analysen konnte eine Homodimerisierung des Proteins festgestellt sowie eine strukturabgeleitete Dimerisierungsmutante identifiziert werden. Ebenfalls aus der Struktur des Nep1p-Homologs aus Methanocaldococcus jannaschii konnte eine Nop14p-Bindungsregion auf der der Dimerkontaktfläche abgewandten Seite des Hefeproteins vorhergesagt und nach in vitro-Mutagenese bestätigt werden. Innerhalb des Nop14-Proteins wurden zwei Domänen charakterisiert, die im Zwei-Hybrid-System mit Nep1p interagieren. Aus Strukturdaten in Kombination mit Hefe-Drei-Hybrid-Experimenten konnte die RNA-Bindungsregion an der Dimerkontaktfläche des Nep1-Proteins lokalisiert werden. In Drei-Hybrid-Selektionen wurden RNA-Sequenzen mit hoher Affinität zu dem M. jannaschii Nep1p identifiziert, die auf eine Bindung des Proteins bei Helix 35 der 16S rRNA schließen lassen. Aufgrund der hohen Konservierung dieser rRNA-Region ist eine Bindung des Hefeproteins an die 18S rRNA-Schleife von Nukleotid 1189-1196 sehr wahrscheinlich. Da Nep1p eine große Ähnlichkeit zu Proteinen der SPOUTFamilie von Methyltransferasen aufweist, war von einer rRNA-Methylierung im Verlauf der Ribosomenbiogenese als katalytische Funktion des Proteins auszugehen. Aus verschiedenen Drei-Hybrid-Experimenten zur RNA-Bindungungsspezifität ergab sich als mögliche Reaktion die N1-Methylierung des Nukleotids 1-Methyl-3-(3-Amino-3-Carboxypropyl)-Pseudouridin (m1acp3Y) 1191 der 18S rRNA. Durch eine spezifische radioaktive Markierung der acp-Gruppe konnte gezeigt werden, dass Nep1p keinen Einfluss auf die spätere Aminocarboxypropylmodifizierung hat. Diese findet auch bei einer Deletion der snoRNA35 statt, also auch an einem Uridin, und ist unabhängig von dem cytoplasmatischen Protein Tma20p. In RP-HPLC-Experimenten konnte nachgewiesen werden, dass die 18S rRNA einer Dnep1Dnop6-Doppelmutante ein Aminocarboxypropyl-modifiziertes Nukleosid enthält, dass sich in seinem Retensionsverhalten von dem m1acp3Y eines Wildtyps unterscheidet. Bei dem in diesem Stamm detektierten acp-modifizierten Nukleosid handelt es sich vermutlich um ein nicht-methyliertes acpY, was eine Funktion von Nep1p als N1-Methyltransferase des Nukleotids Y1191 der 18S rRNA höchst wahrscheinlich macht. Diese katalytische Funktion konnte in Zusammenarbeit mit Prof. Wöhnert auch für das M. jannaschii Nep1p gezeigt werden. Dass sowohl eine snr35- Deletion als auch eine 18S rRNA-Mutation des Nukleotids 1191 nicht letal sind, machte deutlich, dass die N1-Methylierung nicht die essentielle Funktion von Nep1p darstellen kann. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass die Suppression der nep1-1ts-Mutante durch S-Adenosylmethionin nicht auf der Unterstützung der Methyltransferase-Aktivität des Proteins, sondern vermutlich eher auf einer generellen Stabilisierung des temperatursensitiven Proteins beruht. Sowohl im Hefe-Nep1p als auch im humanen Homolog wurden durch biochemische und genetische Experimente mehrere Phänotypen der Bowen-Conradi-Mutation (Aspartat 90 zu Glycin in ScNep1p) nachgewiesen. Diese lassen auf eine Aggregation des mutierten Proteins sowie eine dadurch bedingte Fehllokalisation innerhalb der Zelle schließen. Zusätzlich ist aber auch ein RNA-Bindungsdefekt durch den Aminosäureaustausch wahrscheinlich. Nichtsdestotrotz liegt offensichtlich ausreichend Nep1p-Protein vor, dass seine essentielle Funktion erfüllen kann, da die Mutation selbst zu keinem Wachstumsphänotyp führt. Erst bei einer partiellen Translationsrepression des mutierten Proteins unter Verwendung des artifiziellen Tetrazyklin-Aptamer-Systems ist ein verlangsamtes Wachstum von Hefezellen zu beobachten, was dieses System geeignet zur Analyse von möglichen Therapeutika macht.
Riboswitche – Vorbilder für die Konstruktion synthetischer RNA Schalter Riboswitche sind natürliche RNA Regulatorelemente. Sie sind in den nicht kodierenden Regionen von messenger RNAs (mRNAs) lokalisiert und beeinflussen die Expression nachfolgender Gene. Riboswitche bestehen aus zwei Domänen. Die Binde- oder Aptamerdomäne bildet eine Bindetasche, die einen Liganden ohne die Hilfe zusätzlicher Faktoren hoch spezifisch und affin binden kann. Die zweite Domäne, die sogenannte Expressionsplattform, interpretiert den Bindestatus der Aptamerdomäne und beeinflusst die Expression der nachfolgenden Gene. Liganden sind meist kleine, organische Moleküle wie Nukleotide, Aminosäuren oder Vitamine. Riboswitche regulieren Gene, die für die Synthese oder Verwertung ihres jeweiligen Liganden in der Zelle von Bedeutung sind. Kontrolliert wird die Genexpression meist durch Transkriptionstermination oder durch Maskierung der ribosomalen Bindestelle (SD = Shine Dalgarno Sequenz). Auch Eukaryoten nutzen das Prinzip der direkten RNA-Ligand-Interaktion zur Genregulation, wenn gleich in geringerem Ausmaß. In Pilzen und Pflanzen wird durch Ligandenbindung alternatives Spleißen von prä-mRNAs induziert, was entweder zur mRNA Degradation durch alternative Polyadenylierung oder der Repression der Translation durch alternative Leserahmen (uORFs) führt. Charakteristisch für eine Regulation über Riboswitche ist die direkte Wechselwirkung des niedermolekularen Liganden mit der RNA. In trans kodierte Proteinfaktoren sind aufgrund dieser direkten Bindung nicht notwendig. Dies macht natürliche Riboswitche zu geeigneten Vorbildern für die Entwicklung künstlicher RNA Schalter. Synthetische Riboswitche Aptamere sind kleine, synthetisch hergestellte, einzelsträngige RNA oder DNA Moleküle, die hochaffin und sehr spezifisch ein Zielmolekül binden können. Man kann Aptamere gegen nahezu jedes Molekül der Wahl über einen Prozess der in vitro Selektion gewinnen (SELEX = systematic evolution of ligands by exponential enrichment). Eine Eigenschaft der meisten Aptamere ist, dass sie ihre endgültige Struktur erst in Gegenwart des spezifischen Liganden ausbilden („induced fit“). Dies kann ausgenutzt werden, um RNA Aptamere als regulatorische Elemente einzusetzen. Hierzu inseriert man Aptamere in nicht translatierte Regionen einer mRNA. In Abwesenheit des Liganden bildet sich die Struktur nur teilweise aus und interferiert nicht mit zellulären Funktionen. Erst im Komplex mit einem Liganden kommt es zur effizienten Beeinflussung der Genexpression. Inseriert man ein regulatorisch aktives Aptamer in den 5’ nicht translatierten Bereich (5’UTR) einer eukaryotischen mRNA, erlaubt das Aptamer in der nicht ligandengebundenen Form die Translation nachfolgender Gene. Erst der Aptamer-Ligand-Komplex interferiert mit der Translationsinitiation. Ist das Aptamer nahe der cap-Struktur positioniert, behindert es die initiale Bindung des Ribosoms an die mRNA. Bei einer weiter stromabwärts gelegenen Insertion interferiert es mit dem Scannen der kleinen ribosomalen Untereinheit nach dem Startcodon. Die beste Regulationseffizienz wird hierbei bei einer Insertion direkt vor dem Startcodon erreicht. Es zeigte sich jedoch, dass nur eine sehr geringe Anzahl an Aptameren in der Lage ist, als RNA Schalter aktiv zu sein. Dies führte dazu, dass bis heute nahezu alle Systeme entweder auf dem Theophyllin oder dem Tetrazyklin Aptamer basieren. Ziele dieser Arbeit In dieser Arbeit sollte untersucht werden, warum nur wenige Aptamere regulatorisch aktiv sind und was diese von inaktiven Varianten unterscheidet. Dafür wurden ein Tetrazyklin und ein Neomycin Aptamer detailliert charakterisiert. Desweiteren wurden neue RNA-basierte Regulationssysteme aufgebaut und ihr regulatorischer Mechanismus analysiert. Innerhalb dieser Arbeit wurde dabei ein System zur aptamerabhängigen Regulation des prä-mRNA Spleißens in Hefe etabliert. Außerdem konnte das bekannte Translationssystem für die Regulation essentieller Gene in Hefe weiter entwickelt werden. Folgende Ergebnisse wurden in dieser Arbeit erhalten: 1.Das Tetrazyklin Aptamer – In vitro Charakterisierung eines synthetischen Riboswitches. Das Tetrazyklin Aptamer ist 69 Nukleotide lang. Es besteht aus drei Stämmen (P1, P2 und P3) sowie drei einzelsträngigen Bereichen (J1/2, J2/3 und die Schleife L3; siehe Abbildung 1, links). Die Domäne oberhalb von P2 ist nicht an der Ligandenbindung beteiligt und kann ausgetauscht werden. Die Stämme P1-P3 sind bereits vor Ligandenbindung ausgebildet. Tetrazyklin wird über die drei einzelsträngigen Bereiche gebunden (siehe Abbildung 1, rechts). Durch fluorimetrische und kalorimetrische Methoden wurde eine Bindekonstante von Tetrazyklin an das Aptamer von 770 pM ermittelt. Diese Affinität ist außergewöhnlich hoch. Vergleichbare Aptamere und natürliche Riboswitche binden niedermolekulare Liganden 10- bis 1000-fach schlechter. Wir konnten zeigen, dass hohe Affinität eine Grundvoraussetzung für die regulatorische Aktivität ist, da Aptamermutanten mit verschlechterten Bindekonstanten keine in vivo Aktivität mehr aufweisen sind (Seiten 19-29). Durch Größenausschlußchromatographie konnte gezeigt werden, dass das Tetrazyklin Aptamer durch Ligandenbindung keine größeren globalen Konformationsänderungen erfährt. Dies weist auf eine weitgehende Vorformung der Bindetasche bereits ohne Tetrazyklin hin. Bei Ligandenbindung nimmt das Aptamer eine pseudoknotenähnliche Tertiärstruktur an, welche wahrscheinlich für die inhibitorische Wirkung auf das Ribosom verantwortlich ist (Seiten 19-29). Im Laufe dieser Arbeit wurde die Kristallstruktur des Aptamers im Komplex mit Tetrazyklin in der Arbeitsgruppe von A. R. Ferré-D’Amaré gelöst. Die Struktur zeigt, dass die Stämme P1 und P3 aufeinander gestapelt sind (Abbildung 1, rechts). Stamm P2 bildet die Verlängerung einer irregulären Helix, die aus den einzelsträngigen Bereichen J1/2 und J2/3 gebildet wird. Nukleotide der Schleife L3 interagieren mit dieser irregulären Helix und bilden mit ihr zusammen die Bindetasche für Tetrazyklin. Diese hochauflösende Struktur diente uns in weiteren Arbeiten als Ausgangspunkt für die detaillierte Charakterisierung von ligandeninduzierten Änderungen (siehe 6.). 2. Das Tetrazyklin Aptamer ist in der Lage, prä-mRNA Spleißen in Hefe zu inhibieren. Der Aptamer-Tetrazyklin-Komplex kann nicht nur mit der Translationsinitiation, sondern auch mit dem Spleißen der prä-mRNA in Hefe interferieren (Seiten 31-37). Dazu wurde ein Hefe-Intron in den Leserahmen von GFP inseriert. Nur bei korrektem prä-mRNA Spleißen wird die reife mRNA aus dem Kern transportiert und GFP exprimiert. Für eine RNA-basierte Regulation des Spleißens wurde die Konsensussequenz der 5’ Spleißstelle in den Stamm P1 des Tetrazyklin Aptamers integriert. Dieser ist nicht an der Ligandenbindung beteiligt und seine Sequenz daher variabel. Es konnte gezeigt werden, dass in Abwesenheit von Tetrazyklin das Intron vom Spleißosom erkannt und entfernt wird. Die Expression des Gens ist dann möglich. Durch die Zugabe von Tetrazyklin wird das Spleißen inhibiert und GFP nicht länger exprimiert. Biochemische Strukturkartierungen der RNA in An- und Abwesenheit von Tetrazyklin zeigten, dass der Stamm P1 durch Ligandenbindung verfestigt wird. Die Ligandenbindung beeinflusst also nicht nur die Struktur der Bindetasche, sondern wird auch auf angrenzende Stammbereiche übermittelt. Durch Stabilisierung des Stammes P1 wird die 5’ Spleißstelle für das Spleißosom maskiert. Somit konnten wir den Mechanismus für die Aptamer basierte Regulation des prä-mRNA Spleißens aufklären. 3. Die Tetrazyklin Aptamer basierte Inhibition der Translationsinitiation ermöglicht die Regulation essentieller Gene in Hefe. Frühere Arbeiten zeigten, dass die Insertion mehrerer Aptamerkopien in den 5’UTR zu einem effizienten Abschalten der Genexpression führt. Dies wurde genutzt, um ein neuartiges System für die konditionale Expression essentieller Gene in Hefe zu etablieren. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. K.-D. Entian wurden Insertionskassetten für eine PCR-basierte chromosomale Integration von Tetrazyklin Aptameren unter Kontrolle verschieden starker Promotoren konstruiert. Dafür wurden 1-3 Kopien des Tetrazyklin Aptamers unter Kontrolle des hoch exprimierenden TDH3-Promoters und des etwas schwächeren ADH1-Promoters gestellt. Außerdem wurde eines HA-tag angefügt, um die Genexpression mittels Westernblot verfolgen zu können. Zur Überprüfung der chromosomalen Insertion diente eine Kanamycin-Resistenz. Das neue System wurde erfolgreich an von fünf essentiellen Genen getestet. Es zeigte sich, dass die Zugabe von Tetrazyklin zu einem schnellen und effizienten Abschalten aller getesteten Gene führt. Die Vorteile dieses neuartigen konditionalen Genexpressionssystems in Hefe liegen in der einfachen Handhabung und der Unabhängigkeit vom verwendeten Stamm. Es müssen keine in transkodierten Proteinfaktoren coexprimiert werden. Durch dieses System konnte zum ersten Mal die Aptamer-basierte Regulation endogener, essentieller Gene gezeigt werden (Seiten 49-57). 4. Die Kombination von in vitro Selektion und in vivo Screening ermöglicht die Identifikation neuer regulatorisch aktiver Aptamere – ein Neomycin Riboswitch. Nur wenige in vitro selektierte Aptamere sind als synthetischer Riboswitch aktiv. In unserer Arbeitsgruppe wurde daher ein in vivo Screeningsystem zur Identifizierung neuer Aptamere in Hefe entwickelt. Eine Bibliothek in vitro selektierter Aptamere wurde hierzu in den 5’UTR des GFP Gens kloniert und die Aktivität einzelner Kandidaten durch Vergleich der Fluoreszenz in An- und Abwesenheit des Liganden überprüft. Wir verwendeten eine Bibliothek aus Neomycin-bindenden Aptameren und analysierten 5000 Hefeklone. Hierbei konnten zehn Sequenzen isoliert werden, die abhängig von Neomycin die Initiation der Translation inhibieren. Das 33 Nukleotid lange Aptamer N1 zeigt eine 7,5-fache Regulation und wurde näher charakterisiert. Es besteht aus einer internen asymmetrischen und einer terminalen Schleife, die durch zwei GC Basenpaare getrennt sind. Enzymatische Strukturkartierung und Mutationsanalyse zeigten, dass beide einzelsträngigen Bereiche für die Ligandenbindung wichtig sind. Der abschließende Stamm ist nicht an der Ligandenbindung beteiligt und hat geringen Einfluss auf die regulatorische Aktivität. N1 kann außerdem gegen andere Aminoglykosidantibiotika diskriminieren (Seiten 39-47). Interessanterweise sind die regulatorisch aktiven Aptamere in der in vitro selektierten Bibliothek stark unterrepräsentiert und konnten durch zufälliges Sequenzieren nicht identifiziert werden. Dieses Beispiel verdeutlicht eindrucksvoll die Notwendigkeit eines Screenings in vivo. 5. Regulatorisch aktive Neomycin Aptamere unterscheiden sich von inaktiven durch eine größere thermische Stabilisierung bei Ligandenbindung. Durch weitere Mutationsanalysen von N1 konnte ein aktivitätsvermittelndes Element im Neomycin Riboswitch identifiziert werden. Dazu wurde entweder die terminale oder die interne asymmetrische Schleife mutiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Sequenz der terminalen Schleife nur einen modulierenden Einfluss auf die Aktivität hat, wobei die Asymmetrie der internen Schleife (aber nicht deren exakte Sequenz) ausschlaggebend für die regulatorische Aktivität ist. Für weitere Analysen wurde N1 mit fünf mutierten Varianten und dem inaktiven Neomycin bindenden Aptamer R23 verglichen. Alle sieben Aptamer haben eine ähnliche Sekundärstruktur und Ligandenaffinität, zeigen aber unterschiedliche Aktivität in vivo. Durch Bestimmung des Schmelzpunktes der verschiedenen Aptamere in An- und Abwesenheit von Neomycin zeigte sich, dass aktive Aptamere thermisch deutlich mehr durch Ligandenbindung stabilisiert werden als inaktive. Dabei ist die thermische Stabilität der Aptamer-Neomycin-Komplexe ähnlich. Jedoch ist die Stabilität ohne Ligand bei aktiven Aptameren gegenüber inaktiven Varianten deutlich erniedrigt. Durch NMR spektroskopische Untersuchungen in Zusammenarbeit mit Prof. J. Wöhnert konnte bestätigt werden, dass aktive Aptamere weniger stark vorgeformt sind als inaktive. Das in den Mutationsanalysen identifizierte Element nimmt nicht an der Ligandenbindung teil, sondern dient als Schalter, der den freien Zustand das Aptamers destabilisiert. Damit sorgt es für den großen Unterschied in der thermischen Stabilität des freien und des gebundenen Zustandes aktiver Aptamere. Dies zeigt, dass Unterschiede in der Stabilität die regulatorische Aktivität vermitteln (Seiten 73-102). Laufende Arbeiten sollen nun klären, ob thermische Stabilisierung durch Ligandenbindung ein allgemeingültiger Vermittler von regulatorischer Aktivität ist. Dazu werden weitere Aptamere überprüft, welche in Abwesenheit des Liganden unterschiedlich stark strukturiert sind und eventuell durch Ligandenbindung unterschiedlich stabilisiert werden. Außerdem werden wir testen, ob es die gewonnen Erkenntnisse erlauben, durch rationelles Design synthetische Riboswitche zu verbessern oder inaktive Aptamere in aktive zu verwandeln. 6. Was macht ein Aptamer zu einem regulatorisch aktiven Riboswitch? Für das Tetrazyklin Aptamer konnten wir zeigen, dass zum einen eine extrem hohe Bindekonstante und zum anderen eine hoch komplexe Bindetasche für die regulatorische Aktivität entscheidend sind. Dabei ist die Bindetasche in Abwesenheit des Liganden stark vorstrukturiert und erfährt keine globalen strukturellen Änderungen (Seiten 19-29). In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. J. Wachtveitl untersuchen wir den Einfluss von Bindekinetik und Lebensdauer des Aptamer-Tetrazyklin-Komplexes auf die regulatorische Aktivität. Dafür vergleichen wir das Tetrazyklin Aptamer mit drei regulatorisch inaktiven Mutanten. Für die Messungen nutzen wir die Eigenfluoreszenz des Tetrazyklins. Diese ist in wässriger Lösung geqenched und steigt bei Bindung an die RNA deutlich an. Erste Ergebnisse zeigen große Unterschiede zwischen den Aptameren in der Geschwindigkeit der Ligandenbindung. Außerdem zeigen sich geringe Unterschiede in der Lebensdauer der verschiedenen Komplexe. Durch NMR spektroskopische Untersuchungen in der Arbeitsgruppe von Prof. J. Wöhnert können die Veränderungen einzelner Basen bei Ligandenbindung untersucht werden. Hierbei zeigen erste Messungen am Tetrazyklin Aptamer, unterschiedliches Verhalten einzelner an der Bindung beteiligter Nukleotide. Eine detaillierte Aufklärung der ligandeninduzierten Veränderungen gewährt uns weitere Einblicke, warum das Tetrazyklin Aptamer als Riboswitch aktiv ist. Die regulatorische Aktivität Neomycin abhängiger Riboswitche wird durch thermische Stabilisierung bei Ligandenbindung vermittelt. Dabei zeigte sich, dass durch Neomycin neue Basenpaare und Basenstapelungen entstehen. Durch weiterführende strukturelle Untersuchungen sollen nun ligandeninduzierte Veränderungen in N1 detailliert geklärt werden. Größere globale Änderungen konnten bereits durch EPR Spektroskopie in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. T. F. Prisner ausgeschlossen werden. Hierzu wurden in der Arbeitsgruppe von Prof. J. W. Engels spinmarkierte Neomycin Aptamere hergestellt und die Abstände der Sonden in An- und Abwesenheit von Neomycin bestimmt. Es zeigte sich, dass sich der Abstand der Spinmarkierungen durch Zugabe von Neomycin (oder anderen Aminoglykosiden) nicht ändert (Seiten 59-72). Dies weist auf eher lokale Änderungen in der Bindetasche hin. Durch NMR Spektroskopie in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. J. Wöhnert werden im Moment die Strukturen verschiedener N1-Aminoglykosid-Komplexe gelöst. Dabei zeigt sich, dass in vivo aktive und inaktive Liganden eine ähnliche Struktur im Aptamer induzieren. Was die einzelnen Komplexe unterscheidet und damit die verschiedene Aktivität begründet ist Ziel der Analyse. Insgesamt konnte in dieser Arbeit ein Regulationssystem für die Aptamer-basierte Kontrolle des prä-mRNA Spleißens in Hefe entwickelt und das bestehende Translationssystem für die Applikation auf essentielle Gene angewendet werden. Außerdem wurden wichtige Punkte, warum Aptamere als Riboswitch funktionieren aufgeklärt. Damit legt diese Arbeit einen wertvollen Grundstein für die Weiterentwicklung RNA-basierter Genregulationselemente für die Anwendung in der synthetischen Biologie.
Plastids are complex plant organelles fulfilling essential physiological functions, such as photosynthesis and amino acid metabolism. The majority of proteins required for these functions are encoded in the nuclear genome and synthesized on cytosolic ribosomes as precursors, which are subsequently translocated across the outer and inner membrane of the organelle. Their targeting to the organelle is ensured by a so called transit peptide, which is specifically recognized by GTP-dependent receptors Toc159 and Toc34 at the cytosolic side of outer envelope. They cooperatively regulate the insertion of the precursor protein into the channel protein Toc75, thereby initiating the translocation process. Toc34 is regarded as the primary receptor, while Toc159 probably provides the driving force for the insertion. Precursor transfer is achieved by the physical interaction between both receptors in the GTP loaded state. One translocon unit, also called the Toc core complex, is formed by four molecules Toc34, four molecules Toc75 and one molecule Toc159. In the GDP-loaded state, Toc34 preferably forms homodimers, whose physiological function was investigated in the presented study. It could be shown that the dissociation of GDP and therefore the nucleotide exchange are inhibited by the homodimeric state of Toc34. Dissociation of the homodimer is induced by the recognition of a precursor protein, which renders the binding of GTP and subsequent interaction with Toc159 possible. Thus, the homodimeric conformation could reflect an inactive state of the translocon, preventing GTP consumption in the absence of a precursor protein. Both homodimerization as well as heterodimerization of the receptor are regulated by phosphorylation, which could be demonstrated by in vitro and in vivo approaches using atToc33 from Arabidopsis thaliana as a model system. Since the phosphorylated form of Toc34 cannot be assembled with the Toc core complex, it can be concluded that the interactions between GTPase domains not only regulate the transfer of precursor proteins, but also warrant the integrity of the translocon.
RNA modifications are widespread in the RNA world. Nevertheless, their functions remain enigmatic. Recent analysis in tRNAs, mRNAs and rRNAs have revealed that apart from enriching their topological potential, these chemical modifications provide an added significant regulatory level to gene expression...
Höhere Eukaryoten stellen ein Ensemble von Zellen dar, die in Kompartimente unterteilt sind. Somit sind intra- und interzelluläre Transportprozesse entscheidend für das Überleben dieser Zellverbände. In meiner Arbeit habe ich Evolution und Struktur von Translokationskomplexen untersucht, um einige Aspekte dieser komplexen Systeme zu untersuchen. Eingangs befassten wir uns mit Rezeptorsystemen am Beispiel des Proteintransports. Mittels phylogenetischer Analysen fanden wir heraus, dass Pex5 nicht der Urahn der anderen untersuchten 3-TPR-Domänen ist, obwohl Pex5 in allen eukaryotischen Organismen vorkommt. Ein Vergleich der 3-TPR-Domänen mit der restlichen Sequenz des Rezeptorproteins ergab, dass die 3-TPR-Domänen eine langsamere Evolutionsgeschwindigkeit aufweisen, was für eine Evolutionseinschränkung durch Interaktionspartner spricht. Sec72 ist möglicherweise aus einer TPR1 (Hop) Domäne entstanden und eine Funktion als Hsp70-erkennende Komponente des Sec-Komplexes für den post-translationalen Import kann daraus abgeleitet werden. „Recycling“ von 3-TPR-Domänen anderer Proteine konnten wir durch unsere phylogenetische Analyse auch für die zweite 3-TPR-Domäne von Tom34 nachweisen, die mit CYP40/FKBP51/52 clustert. Darüber hinaus war es uns möglich, die plastidär bzw. mitochondriell lokalisierten Formen von Toc64 phylogenetisch zu unterscheiden. Durch Erzeugung von Homologiemodellen konnten organellspezifische Aminosäuren strukturell eingeordnet werden. Dabei stellten wir fest, dass sich fast alle Positionen, die sich in der Aminosäurekomposition unterscheiden, auf der konvexen Seite der 3-TPR-Domäne befinden. Molekulardynamische Simulationen zeigten zudem deutliche Veränderung der Hauptbewegungen der 3-TPR-Domänen nach Komplexierung mit dem Hsp90-C-Terminus. Bei Bindung des Liganden werden intramolekulare Wasserstoffbrücken sowohl auf der konvexen als auch konkaven Seite der 3-TPR-Domäne „umgeschaltet“. Diese Erkenntnisse führen zu zwei Hypothesen: 1.) die Organellspezifität der Rezeptoren wird durch die Interaktion mit anderen Komplexpartnern garantiert und 2.) die Änderungen des Wasserstoffbrückennetzwerkes auf der konvexen Seite nach Hsp90-Bindung führen zur Ausbildung der Bindungsstelle für die andere Komplexkomponente. Beide Hypothesen erklären die experimentellen Beobachtungen bezüglich der Rezeptoren und warum keine phylogenetischen Hinweise für die Existenz von Vorstufenprotein-spezifischen Hsp70/90-Proteinen gefunden werden konnten. Nach dem Rezeptor haben wir uns mit dem Translokationsprozess befasst. Wir konnten phylogenetisch zeigen, dass sich Omp85 aus Proteobakterien im Vergleich zu Cyanobakterien und Eukaryoten insbesondere durch andersartige POTRA Domänen auszeichnet und fanden zwei konservierte Motive in der Porenregion. Zudem konnten wir im Heterokontophyten P. tricornutum ein vollständiges Omp85 identifizieren (bipartite Signalsequenz, 2 POTRAs, Pore mit langen Schleifen). Die Aminosäuresequenz weicht teils deutlich von den bekannten Omp85-Proteinen ab, was die Entdeckung erschwerte. Wir haben damit geklärt, dass auch im Translokationsapparat von komplexen Plastiden ein b-Fassprotein der Omp85 Familie die Kerneinheit bildet. Ebenfalls zu den Protein-transportierenden b-Fassproteinen gehört TolC, das aber im Gegensatz zu Omp85 auch andere Substanzen, wie zum Beispiel Siderophore transportiert. Alr2887 ist das einzige TolC-ähnliche Protein aus Anabaena sp. PCC7120. Vergleichende Phänotypuntersuchungen weisen auf eine Interaktion eines ABC-Transporters (DevBCA Operon) mit Alr2887 hin. Die Distanz zwischen äußerer Membran und Plasmamembran ist in Anabaena doppelt so groß wie in E. coli. Entsprechend fanden wir im Adapterprotein DevB eine stark verlängerte dimere Doppelwendel, die das von TolC gebildete a-Fass im Periplasma bis hin zum ABC-Transporter in der Plasmamembran theoretisch fortsetzen kann. Da verschiedenste in Anabaena existierende ABC-Transporter TolC als Abflusskanal benötigen, nehmen wir an, dass Alr2887 ein Rundumtalent in Bezug auf die zu transportierenden Substrate darstellt. Dieses ist auch aufgrund der basalen Einordnung im phylogenetischen Baum zu vermuten; es könnte somit auch in den „Multi-Drug-Efflux“ involviert sein. Nicht nur ABC-Transporter, auch TonB-abhängige Transporter stehen in funktionellem Zusammenhang mit TolC. Wir haben Aminosäuresequenzen von ~4600 TBDTs aus Gram-negativen Bakterien und Cyanobakterien zusammengetragen und nach ihrer paarweisen Ähnlichkeit geclustert. Anhand experimentell charakterisierter TBDTs mit bekannten Substraten und TBDTs mit vorhergesagten Substraten konnten wir sehr vielen Clustern ein Substrat zuordnen, das die in ihnen zusammengefassten TBDTs aller Wahrscheinlichkeit nach importieren. Wir konnten ferner feststellen, dass es noch eine Menge weiterer Cluster mit unbekannten Substratspezifitäten gibt und unsere Analysen stimulieren somit die Arbeiten an diesem System im Allgemeinen und in Cyanobakterien im Besonderen.
In dieser Arbeit wurde die physiologische Funktion der Klasse I Methyltransferase Rrp8 bei der Ribosomen-Biogenese der Hefe Saccharomyces cerevisiae untersucht. Ziel war es, die Bedeutung des Proteins für die rRNA-Prozessierungsschritte besser zu verstehen und das Substratmolekül zu identifizieren, das durch die katalytische Aktivität von Rrp8p modifiziert wird.
In einer rrp8-ΔC Mutante, bei der die für die C-terminale Methyltransferase-Domäne codierende Sequenz deletiert vorlag, konnte eine leichte Mengenreduktion der 40S Untereinheit gefunden werden, was für eine Beteiligung von Rrp8p an der Biogenese der kleinen Untereinheit sprach. Unter Anwendung eines artifiziellen Tetrazyklin-Aptamer-Systems, das die Regulation der Expression eines spezifischen Gens erlaubt, wurde eine bereits vorher bekannte synthetische Interaktion mit der essentiellen 90SKomponente Nep1p bestätigt. Mit Hilfe dieses Expressionssystems konnte auch für eine reduzierte Expression von Nop14p, einem Interaktionspartner des Nep1-Proteins, eine synthetisch kranke Beziehung mit rrp8-ΔC festgestellt werden. Zusammen mit der Untersuchung des Sedimentationsverhaltens eines markierten Rrp8-Proteins und bekannten Daten aus der Literatur wiesen die genetischen Analysen darauf hin, dass Rrp8p neben dem Einfluss auf späte Reifungsschritte des 90S prä-Ribosoms auch für die frühen Reifungsschritte der 60S Untereinheit wichtig ist. Weitere Interaktionen mit Faktoren, die an der Translation beteiligt sind (TIF4631, DOM34) und die Messung der Translationsaktivität zeigten, dass der Ausfall von Rrp8p nicht nur die Biogenese verzögert, sondern gleichfalls die Funktionsfähigkeit des Ribosoms beeinflusst.
Die in dieser Arbeit durchgeführte phänotypische Analyse einer rrp8-ΔC tc-GAR1 Doppelmutante unterstützte die Vermutung, dass Rrp8p auch frühe Reifungsschritte der 60S Untereinheit beeinflusst. Mit einem in vitro Experiment konnte die Bindung von SAM an Rrp8p gezeigt werden und RP-HPLC Analysen der 25S rRNA verdeutlichten, dass Rrp8p neben dem Einfluss auf die Prozessierungsstelle A2 für die m1A645 Modifikation in Helix 25.1 verantwortlich ist. Die phänotypische Untersuchung einer von P. Kötter und S. Lamberth angefertigten rRNA Mutante (A645U) zeigte, dass die Sequenzveränderung innerhalb der Helix 25.1 der 25S rRNA, die zugleich zum Verlust der Modifikation führt, eine deutliche Auswirkung auf das Zellwachstum und auf das Polysomenprofil hat. Ähnliche Polysomenprofile wurden in den Mutanten rrp8-G209R und rrp8-G209A beobachtet, die ein punktmutiertes Rrp8-Protein exprimieren. Eine reduzierte SAM-Bindungsaktivität des mutierten Proteins führte ebenfalls zu einer reduzierten Menge an m1A645 modifizierter 25S rRNA. Eine im Unterschied zur rrp8-ΔC Mutante auftretende Reduktion der 60S Untereinheit in den Punktmutanten spricht für einen bisher noch unbekannten Einfluss von Rrp8p auf die Biogenese der 60S Untereinheit.
In Zusammenarbeit mit S. Sharma durchgeführte 2D-DIGE Experimente und quantitative Messungen von Transkriptmengen zeigten, dass im Vergleich zu einem Wildtyp-Stamm in einer rrp8-ΔC Mutante einige glykolytische Enzyme in geringerem Maße exprimiert werden, was in Zusammenhang mit einer in höheren Eukaryoten bekannten nukleolären Stressantwort gebracht werden kann. Dies verdeutlicht die komplexe Wechselwirkung zwischen der Ribosomenfunktion und dem Energiemetabolismus.
Die ribosomal synthetisierten und posttranslational modifizierten antimikrobiellen Peptide Subtilin aus B. subtilis und Nisin A aus L. lactis gehören zur Klasse der lanthioninhaltigen Bakteriocine, die als Lantibiotika bezeichnet werden. Die Regulation der Biosynthese beider Lantibiotika unterliegt der dichteabhängigen Genregulation, die auch als Quorum Sensing bezeichnet wird. Dabei wirken die Peptide als Pheromon autoinduzierend auf die eigene Biosynthese durch Signaltransduktion über die Zwei-Komponenten-Regulationssysteme SpaRK bzw. NisRK. Durch die Konstruktion und Anwendung zweier spezifischer Reportersysteme, die auf der transkriptionellen Induktion einer chromosomal integrierten PspaS-lacZ bzw. PnisA-gusA-Fusion beruhen, wurde die autoinduzierende Fähigkeit der Peptide sowohl qualitativ durch chromogene Analysen auf Agarplatten als auch quantitativ in Mikrotiterplatten spezifisch nachgewiesen. Beide Reportersysteme wurden zur Analyse von Struktur-Funktionsbeziehungen in Bezug zur autoinduzierenden Wirkung der Peptide verwendet. Dabei wurden neben dem Subtilinproduzenten B. subtilis ATCC 6633 acht weitere Subtilin-produzierende Bacillus-Stämme identifiziert. Durch die Konstruktion eines Expressionssystems zur Produktion von durch ortsgerichteter in vitro Mutagenese erstellten Subtilinvarianten bzw. Subtilin/Nisin AHybriden wurden mehr als 80 verschiedene Peptide durch rationales Design generiert. Deren Biosynthese wurde durch MALDI-TOF MS spezifisch nachgewiesen und hinsichtlich ihrer Wirkung als induzierende Peptide über beide Reportersysteme untersucht. Durch Überexpression des Responsregulators SpaR wurde eine Induktion der Promotorfusion unabhängig von der Autoinduktion durch die jeweiligen Peptide gezeigt. Dies ermöglicht die Produktion und Charakterisierung von induktionsdefizienten Varianten. Durch die Analysen der generierten Peptide wurde eine Beteiligung des N-terminalen Bereichs von Subtilin an der Sensierung durch die Histidinkinase SpaK identifiziert. Die in vivo Produktion von verkürzten Subtilinvarianten und proteolytische Analysen von Subtilin und Nisin A zur Generierung von N-terminalen Fragmenten der Peptide bestätigte die essentielle Rolle des Nterminalen Bereichs der Lantibiotika in Bezug zur Autoinduktion. Für beide Peptide und deren jeweilige N-terminalen Fragmente, bestehend aus den ersten zwanzig Aminosäuren, wurde keine Kreuzinduktion in den Reportersystemen zur Bestimmung der Autoinduktion festgestellt. Bei simultaner Applikation des nativen Induktors mit dem korrespondierenden Peptid bzw. den jeweiligen N-terminalen Fragmenten wurde eine signifikante Reduktion der vermittelten Enzymaktivität detektiert. Dieser Effekt wurde aufgrund der Inhibition der Signaltransduktion als Quorum Quenching bezeichnet und erstmalig für lantibiotische Peptide beschrieben. Da diese Reduktion durch die gleichzeitige Zugabe von Lipid II-bindenden Substanzen, wie Vancomycin und Bacitracin, nachgewiesen wurde, konnte erstmals eine Beteiligung von Lipid II an der Signalkaskade verdeutlicht werden. Lantibiotika wirken aufgrund hochaffiner Bindung an Lipid II und anschließender Porenbildung in der cytoplasmatischen Membran überwiegend antimikrobiell gegen Gram-positive Organismen. Da die Bindung an Lipid II über ein konserviertes Bindemotiv im Nterminalen Bereich der Peptide erfolgt, wird die Beteiligung von Lipid II an der Sensierung des externen Stimulus durch die Histidinkinase LanK unterstützt.
Organismen besitzen die Fähigkeit sich Temperaturerniedrigungen anzupassen, wobei über die molekularen Mechanismen der Kälteadaptation wenig bekannt ist. Für die Untersuchung dieser Mechanismen stellt die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae ein ausgezeichnetes Modellsystem aufgrund der einfachen Struktur und der Möglichkeit zur genetischen Manipulation dar. In dieser Arbeit wurde die transkriptionelle Antwort von S. cerevisiae auf Kälte mit Hilfe von DNA Chips (6330 ORFs) charakterisiert, wobei Proben von Hefekulturen mit einer Inkubationsdauer von 10 und 30 min, 2, 12 und 60 h bei 10°C verwendet wurden. 634 Gene reagierten mit einer signifikanten Expressionsänderungen auf den Kälteeinfluss, wobei zwei distinkte Phasen, definiert als frühe und späte Kälteantwort, identifiziert wurden. Vergleiche der Kälteantwort mit Expressionsdaten verschiedener Umweltstressbedingungen ergaben differentielle Expressionsmuster. Im Vergleich zu anderen Stressreaktionen zeigten Gene der frühen Kälteantwort entweder ein entgegengesetztes Expressionsmuster (“inverser Hitzeschockeffekt”) oder keine transkriptionelle Reaktion. Dieser Effekt kehrte sich während der späten Kälteantwort in eine allgemeine Stressantwort um. Messungen des Trehalose- und Glykogengehalts sowie Studien mit einer in der Stressinduktion beeinträchtigten Doppelmutante Δmsn2/Δmsn4 bei 10°C zeigten, dass die allgemeine Stressantwort ein Teil der späten Kälteantwort ist. Dagegen deuten die Daten der frühen Kälteantwort auf eine Kälte-spezifische Reaktion hin, wobei Anpassung der Membranfluidität sowie RNA-Modifikation eine essentielle Rolle spielen. Im Zusammenhang mit der Untersuchung der Kälteanpassung in S. cerevisiae wurde der ORF YBR255W mit unbekannter Funktion, dessen Deletion einen Kälte-sensitiven Wachstumsdefekt besitzt, auf molekular-biologischer und biochemischer Ebene charakterisiert. Die transkriptionelle Reaktion einer Δybr255w-Mutante bei Kälte (10ºC) wurde mit den Expressionsdaten des Wildtyps verglichen und zeigte starke Veränderungen während der frühen Kälteantwort, wobei nach 2 Stunden der größte Expressionsunterschied zum Wildtyp beobachtet wurde. 65% der Gene der frühen Kälteantwort zeigten YBR255Wabhängige Veränderungen, darunter Gene des Zellzyklus, des Zellwachstums und der Zelldifferenzierung. Interaktionsstudien auf genetischer und Proteinebene ergaben, dass Ybr255p mit einer Komponente des „Mitotic Exit Network“ und Komponenten des PKC1-Wegs interagiert. Die Überexpression von Ybr225p zeigte drastische Veränderungen der Zellmorphologie, wie sie ebenfalls für Mutanten des „Mitotic Exit Network“ beschrieben sind. Zusammengenommen mit der transkriptionellen Reaktion der Δybr255w-Mutante auf Kälte deuten diese Ergebnisse auf eine essentielle Rolle von Ybr255p im Zellzyklus bei Kälte hin.
Anhand einer osmotischen Auffschlussmethode für B. subtilis konnte ohne Zugabe von Detergenzien erreicht werden, dass die beiden Modifikationsproteine SpaB und SpaC in löslicher Form vorliegen. Demzufolge handelt es sich bei dem Subtilin-Synthetase-Komplex nicht um einen starren membranständigen Komplex, sondern um eine transiente Assoziation der SpaB/C-Proteine mit dem Transportprotein SpaT während der Modifikationsreaktion. Durch Interaktionsstudien mit heterolog produzierten Subtilinpräpropeptid (SubHAHis) konnte eine spezifische Interaktion mit dem löslichen SpaC-Protein gezeigt werden. Komplementationsversuche zeigten, dass der DspaC amyE::spaS-Stamm durch das SpaCsowie das EriC-, jedoch nicht durch das NisC-Protein komplementiert wird. Ebenfalls ist ein C-terminal verkürztes bzw. verlängertes SpaC-Protein nicht in der Lage ist, Subtilin richtig zu modifizieren. Mit Hilfe einer in vitro Mutagenese der ligandierenden Aminosäuren Cystein 303, Cystein 349 und Histidin 350 konnte gezeigt werden, dass das Zink-Ion des SpaC-Proteins an der katalytischen Reaktion beteiligt ist. Beim Ausschalten der Aminosäuren Histidin 212 und Tyrosin 304 konnte ebenfalls ein Ausfall der Subtilinproduktion beobachtet werden. Es wäre denkbar, dass beide Aminosäuren in einer Säure/Base-Reaktion bei der Subtilinmodifikation involviert sein könnten. Die Aminosäure Tryptophan 302 hingegen bildet mit dem C-terminalen ALL-Motiv des Proteins ein hydrophobes Cluster, was eine Rolle beider Elemente in Stabilisation des Reaktionszentrums und Substratbindung nahe legt. Für das SubHAHis konnte gezeigt werden, dass es von der Modifikationsmaschinerie akzeptiert und auch produziert wird, jedoch entsteht ebenfalls ein Heterodimer zwischen dem SubHAHis und den Modifikationsproteinen SpaB und SpaC, an dessen Formation der Hexa-Histidin-Tag maßgeblich beteiligt ist. Eine mögliche Heterodimerformation im Subtilinproduzenten ATCC 6633 konnte unter bestimmten Bedingungen ebenfalls nachgewiesen werden, was auf eine mögliche kovalente Zwischenstufe bei der Lanthioninbrückenbildung hinweist. Des Weiteren konnte durch in vitro Mutagenese-Studien gezeigt werden, dass die katalytische Reaktion des SpaC-Proteins an der Heterodimerformation beteiligt ist. Das SpaC-SubHAHis Heterodimer konnte erfolgreich angereichert und mittels Peptidmassenkartierung eindeutig als kovalentes Heterodimer zwischen den beiden Proteinen identifiziert werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass bei der Modifikation des Subtilinpräpropeptids durch das SpaC-Protein eine transiente kovalente Bindung zwischen dem Präpropeptid und dem SpaCProtein ausgebildet wird. Die Bildung eines möglichen Heterodimers zwischen SpaC und dem Subtilinpräpropeptid konnte ebenfalls unter bestimmten Bedingungen beim Wildtyp nachgewiesen werden. Dieser Befund legt nahe, dass es sich bei der Heterodimerbildung um eine katalytische Zwischenstufe bei der Modifikation des Präpropeptids durch das SpaC handeln könnte, welches durch die Anwesenheit des Hexa-Hisitidin-Tags arretiert wird. Neben dem bekannten Subtilinproduzenten B. subtilis ATCC 6633 konnten weitere Stämme der W23-Untergruppe der Spezies B. subtilis als Subtilinproduzenten identifiziert werden, was impliziert, dass ein Merkmal der W23-Gruppe die Produktion von Subtilin ist und diese als Biomarker dienen könnte. Des Weiteren konnte beobachtet werden, dass ein um die Aminosäuren Glycin und Serin C-terminal verlängertes Subtilin (Subtilin-GS) eine gesteigerte Subtilin-Autoinduktion hervorruft. Durch die Zugabe von Mangan zu einer Subtilin-Produzierenden Kultur konnte ebenfalls gezeigt werden, dass das Mangan alleine einen steigernden Einfluss auf die Induktion des PspaB-Promotors besitzt, während eine gesteigerte Aktivität des PspaS-Promotors nur bei der gleichzeitigen Anwesenheit von Subtilin beobachtet werden konnte. Durch die gezielte Zugabe von Mangan und Subtilin-GS ist es dementsprechend möglich, eine erhöhte Autoinduktion und somit eine erhöhte Produktion an Subtilin zu erreichen.
Mit Hilfe des Modellorganismus S. cerevisiae konnten alle bisher unbekannten Gene der Gluconeogenese und des Glyoxylat-Zyklus des opportunistisch humanpathogenen Pilzes C. albicans isoliert werden. Erste Hinweise führten zu der Annahme, dass diese Stoffwechselwege möglicherweise essentiell für das vegetative Wachstum sind, so dass sie gute Wirkorte für neu zu entwickelnde Antimycotica darstellen könnten. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass diese Stoffwechselwege ungeeignete Wirkorte für Antimycotica sind, da sie weder essentiell für das vegetative Wachstum sind noch von ihnen Virulenzfaktoren von C. albicans beeinflusst werden (z.B. Hyphenentwicklung). Die Regulation der Gluconeogenese und des Glyoxylat-Zyklus in S. cerevisiae ist gut untersucht und alle Ergebnisse mit C. albicans zeigen, dass die Regulation dieser Stoffwechselwege zwischen diesen beiden Hefen sehr konserviert ist. Es wurde eine Methode für die Identifizierung von essentiellen Genen durch funktionelle Komplementation in S. cerevisiae entwickelt. Diese sogenannte Split-Marker-Selektion basiert auf einer Cre/loxP-vermittelten induzierten Deletion eines essentiellen Gens von S. cerevisiae und der Komplementation des resultierenden letalen Phänotyps durch ein heterolog exprimiertes Gen in einer DNS Genbank. Die Methode ist auch für die Funktionsanalyse von essentiellen Genen in S. cerevisiae geeignet (z.B. Identifizierung von Suppressoren, Analyse finaler Phänotypen). Mit Hilfe der Split-Marker-Selektion wurde das putativ essentielle Gen NEP1 ("nuclear essential protein") von C. albicans identifiziert. Die Funktionsanalyse des homologen Gens in S. cerevisiae ergab, dass das Gen für ein Mikrotubuli-assoziiertes Protein kodiert, das in allen Eukaryonten existiert. Es erwies sich, dass das menschliche Homolog in S. cerevisiae funktionell ist und den letalen Phänotyp einer NEP1 Deletion in S. cerevisiae überwindet. Es zeigte sich weiterhin, dass das menschliche Homolog in S. cerevisiae nicht an Mikrotubuli assoziiert ist. Dies deutet darauf hin, dass die Mikrotubuli-Assoziation nicht für die essentielle Funktion von Nep1p nötig ist. Das bisher uncharakterisierte Protein Ydl148p wurde als Interaktionspartner von Nep1p gefunden. Desweitern konnte SAM2 als Multicopy-Suppressor des konditional letalen Phänotyps (Temperatursensitivität) eines NEP1 Mutantenallels (nep1-ts1) identifiziert werden. Die Suppression wurde hierbei über die erhöhte Konzentration an S-Adenosylmethionin vermittelt. Dieser Cofaktor ist an Methylierungsreaktionen beteiligt, so besteht die Möglichkeit, dass Nep1p eine Methyltransferase ist oder an Methylierungsreaktionen beteiligt ist.