Neue Details der Genregulation aufgeklärt

Wird genetische Information von der Erbsubstanz DNA abgelesen, übersetzt die RNA-Polymerase II sie in RNA-Moleküle. Ein wichtiger Bereich des Polymerase-Moleküls ist die C-terminale Domäne, kurz CTD. Sie übermittelt der Polymerase Informationen darüber, wie der genetische Code abgeschrieben und weiter verarbeitet werden soll. Dazu heftet das Enzym P-TEFb molekulare Botschaften in Form von Phosphatresten an bestimmte Positionen innerhalb der CTD.

Wissenschaftler am Dortmunder Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie haben nun beschrieben, nach welchem Muster P-TEFb dabei vorgeht. Die Ergebnisse sind nicht nur wichtig, um die Genregulation im gesunden Organismus besser zu verstehen, sondern auch medizinisch von Interesse: So spannt etwa HIV das Enzym für seine Zwecke ein, um die Produktion neuer Virusproteine zu beschleunigen.

Mit nur 25000 Genen besitzt der Mensch nicht viel mehr Gene als eine Taufliege – und das, obwohl er deutlich komplexer aufgebaut ist. Information wird aber nicht nur über die Basenabfolge der Erbsubstanz weitergegeben, sondern auch epigenetisch in Form von kleinen Molekülanhängen. So vermitteln etwa „molekulare Haftnotizen“ in Form von Phosphatanhängen der Übersetzungsmaschinerie der Zelle, welche Abschnitte des Erbguts abgelesen werden sollen. Spezielle Enzyme, die solche Markierungen an der richtigen Stelle anbringen, sind deshalb entscheidend dafür, dass die Zelle den genetischen Code korrekt interpretiert.

Matthias Geyer und sein Team am Dortmunder Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie haben nun die Arbeitsweise eines solchen Enzyms – des Transkriptionsfaktors P-TEFb – nachverfolgt. P-TEFb bestückt das Ablese-Enzym RNA-Polymerase II mit Phosphat-Botschaften. Diese werden reversibel an die C-terminalen Domäne (CTD) geheftet und sind wichtig dafür, dass eine Abschrift der Basensequenz erstellt werden kann. Die Forscher haben gezeigt, nach welchem Schema P-TEFb die Phosphat-Reste anbringt und wie bereits bestehende Markierungen die Aktivität des Enzyms beeinflussen.

„Wie wir herausgefunden haben, kann P-TEFb bestimmte Phosphorylierungsmuster so, wie sie in der Literatur beschrieben sind, gar nicht erzeugen“, erklärt Matthias Geyer. Der Grund dafür ist, dass sich manche Markierungen scheinbar gegenseitig beeinflussen: Ist eine bestimmte Stelle schon markiert, muss eine andere freibleiben – ähnlich wie bei einem Online-Fragebogen, bei dem man jeweils nur ein Kästchen anklicken kann. Damit haben die Forscher gängiges Lehrbuchwissen widerlegt: „Bisher hat man angenommen, dass P-TEFb innerhalb einer Wiederholungseinheit von sieben Aminosäuren die Serine an den Positionen zwei und fünf phosphorylieren kann“, sagt der Wissenschaftler. „Tatsächlich kann das Enzym Position zwei aber gar nicht phosphorylieren und Position fünf auch nur dann, wenn Position zwei noch keinen Phosphatrest trägt. Eine Kombination von Phosphatresten an den Positionen zwei und fünf kann P-TEFb also auf keinen Fall erzeugen.“ Eine weitere Überraschung für die Forscher war, dass das Enzym seine Aktivität um das Vierfache steigert, wenn das Serin an Position sieben bereits vorphosphoryliert ist. Warum das so ist, wissen die Forscher bisher noch nicht.

Die CTD ist ein evolutionär alter Teil der RNA-Polymerase II. Beim Menschen besteht dieser Bereich aus 52 hintereinandergeschalteten Wiederholungen eines Motivs aus sieben Aminosäuren. Die meisten dieser Aminosäuren können mit Phosphat-Anhängen versehen werden, was vielfältige Möglichkeiten ergibt, Informationen zu verschlüsseln und weiterzugeben. Die Forscher gehen davon aus, dass auf diese Weise sogar Botschaften zwischen dem Ablese-Enzym und den Histonen ausgetauscht werden − jenen Verpackungs-Proteinen, die als Spulen dienen, um die fadenförmige Erbsubstanz aufzuwickeln und im Zellkern zu verstauen. Die Histone tragen ebenfalls kleine chemische Anhängsel, so dass Wissenschaftler von einem eigenen „Histon-Code“ sprechen. Während des Ablesevorgangs liegen die Histone eng benachbart zur CTD, was den Informationsfluss erleichtert.

Die molekularen Botschaften, die P-TEFb innerhalb der C-terminalen Domäne anbringt, sind nicht nur für die Genregulation im gesunden Organismus wichtig, sondern spielen auch bei verschiedenen Krankheiten eine wichtige Rolle. Dazu gehören bestimmte Krebsarten, Erkrankungen des Herzmuskels sowie HIV: So spannen HI-Viren das Enzym für ihre Zwecke ein, um das Ablesen des genetischen Codes zu beschleunigen und die Zelle dazu zu bringen, möglichst schnell mit der Produktion von Virus-Proteinen zu beginnen. Um den Krankheitsmechanismen auf die Spur zu kommen, wollen Forscher die Funktionsweise des Enzyms daher möglichst genau verstehen.

Die Studie der Dortmunder Wissenschaftler ist die bisher detaillierteste zur Funktionsweise von P-TEFb. Die genaue Analyse der Phosphatmuster gelang den Forschern mithilfe genetisch veränderter RNA-Polymerase II-Moleküle, die sie mit definierten Mengen des Enzyms versetzt haben. Daraufhin konnten sie exakt bestimmen, welche Positionen innerhalb der CTD mit Phosphat-Markierungen bestückt wurden und wie hoch die Aktivität des Enzyms war.

Ansprechpartner

PD Dr. Matthias Geyer
Telefon: +49 231 133-2366
Fax: +49 231 133-2399
Email: matthias.geyer@­mpi-dortmund.mpg.de

Originalveröffentlichung
Nadine Czudnochowski, Christian A. Bösken, Matthias Geyer
Serine-7 but not serine-5 phosphorylation primes RNA polymerase II CTD for P-TEFb recognition

Nature Communications, 15. Mai 2012, DOI: 10.1038/ncomms1846