Wie sich Bakterien starken Temperaturschwankungen anpassen

Wie es das macht, haben Frankfurter Forscher nun erstmals aufgeklärt. In der Fachzeitschrift Nature beschreiben sie einen Gen-Schalter, der seine Struktur in Abhängigkeit von der Verfügbarkeit niedermolekularer Baustoffe und gleichzeitig der Temperatur verändert. Nach diesem Vorbild könnten künftig auch maßgeschneiderte temperatursensitive Genschalter gebaut werden.

In der Zelle regulieren genetische Schalter aus RNA die Proteinbiosynthese. Eine besondere Klasse von genetischen RNA-Schaltern bindet direkt an niedermolekulare Baustoffe wie Adenin. Davon brauchen Zellen mal mehr, und mal weniger. Gibt es wenig Adenin, dann ist der RNA-Schalter aus. Ist dagegen zuviel Adenin vorhanden, dann bindet der Schalter Adenin.

Gleichzeitig schaltet er in den Zellen ein Programm an, um Proteine herzustellen, die diesen Baustoff aus der Zelle entfernen. Wie sich diese Aus-An-Schalter den großen Temperaturschwankungen, denen Vibrio ausgesetzt ist, gleichbleibend gut anpassen können, war bisher nicht bekannt. Die Arbeitsgruppe von Prof. Harald Schwalbe vom Institut für Organische Chemie und Chemische Biologie der Goethe-Universität hat nun das Rätsel dieser regulatorischen Herausforderung für Bakterien gelöst und in der renommierten Fachzeitschrift Nature publiziert.

„Die Funktion dieser RNA ist viel komplexer, als wir zuerst gedacht haben. Sie ändert ihre Gestalt je nach Temperatur und dem Angebot an Adenin“, fasst Anke Reining die Ergebnisse ihrer Doktorarbeit zusammen. Demnach liegt der RNA-Schalter in drei verschiedenen dreidimensionalen Strukturen vor: insbesondere gibt es zwei verschiedene Strukturen, in denen der Genschalter ausgestaltet ist. Bis jetzt ging man davon aus, es gäbe nur einen Aus-Zustand. Welcher der beiden Aus-Zustände nun vorliegt, hängt von der Temperatur ab. „Dieser RNA-Schalter funktioniert wie ein Thermostat, er regelt die Protein-Synthese über einen Temperaturbereich von 40 Grad, um auf Schwankungen der Adenin-Konzentration in konstanter Weise reagieren zu können“, berichtet Dr. Boris Fürtig, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Schwalbes Arbeitsgruppe.

„In meinem Team haben wir sehr lange an diesem Puzzle gearbeitet. Dass es zwei verschiedene Aus-Zustände gibt, hat uns verblüfft. Und noch mehr, dass nur einer der beiden Zustände angeschaltet werden kann. Der völlig neuartige Mechanismus bietet Chemikern und Biologen nun einen Bauplan für RNA-Schalter, die auch über den physiologischen bedeutsamen Temperaturbereich von 5 bis 40 Grad Celsius verlässlich arbeiten“, erklärt Harald Schwalbe.

Publikation: Anke Reining, Senada Nozinovic, Kai Schlepckow, Florian Buhr, Boris Fürtig und Harald Schwalbe: Three-state mechanism couples ligand and temperature sensing in riboswitches, Nature, DOI: 10.1038/nature12378

Eine Abbildung zum Download finden Sie hier:
http://www.muk.uni-frankfurt.de/47248191/169
Bildtext:
Schematische Darstellung der drei verschiedenen Zustände des RNA-Genschalters. Unterlegt ist eine elektronen-mikroskopische Aufnahme des Bakteriums Vibrio vulnificus bei 13000-facher Vergrößerung (Bild B stammt von der Public Library des CDC erstellt durch Janice Haney Carr und James Gathany)

Informationen: Prof. Harald Schwalbe, Institut für Organische Chemie und Chemische Biologie, Campus Riedberg, Tel.: (069) 798-29130; schwalbe@em.uni-frankfurt.de

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