Vom richtigen Timing in der Zelle

Die beteiligten Forscher Dr. Boris Fürtig (von links), Sara Keyhani, Prof. Harald Schwalbe, Prof. Dr. Jens Wöhnert und Dr. Florian Sochor vor einem der Spektrometer, mit denen die Messungen gemacht wurden. (Foto: Daniel Hymon)

Einer der Kernlehrsätze der Biologie besagt, dass Informationen von der DNA zur RNA fließen, damit Proteine kodiert werden können, die für spezifische Zellfunktionen erforderlich sind. Genauso entscheidend wie der genetische Code ist wohl die genaue zeitliche Steuerung dieses Informationsflusses.

Durch Produktion der richtigen RNA und der richtigen Proteine zur rechten Zeit kann eine Zelle ihre Funktion und ihr Überleben sichern. Eines dieser Steuerungselemente, der RNA-Schalter oder Riboswitch, wird als potentielles Ziel für Antibiotika angesehen.

Nach mehr als zehnjähriger Arbeit konnte Prof. Harald Schwalbes Forschungsgruppe an der Goethe-Universität mit Dr. Boris Fürtig sowie Prof. Jens Wöhnert von der Abteilung für Molekulare Biowissenschaften der Goethe-Universität, der Süß-Gruppe der Technischen Universität Darmstadt und dem Landick-Team der University of Wisconsin die Puzzle-Teile eines Riboswitch-basierten Steuerungsprozesses im Bacterium Bacillus subtilis zusammenfügen und damit das bisher umfassendste Modell für den genauen Zeitablauf des Riboswitch-Mechanismus vorstellen.

Ein Riboswitch ist ein kurzes Stück der RNA, das sich zu unterschiedlichen Strukturen falten kann, je nachdem, ob sich ein kleines Botenmolekül an ihn bindet oder nicht. Riboswitche, die den Übersetzungsprozess von DNA zu RNA steuern, signalisieren den verschiedenen Strukturen der umgebenden RNA-Polymerase während der laufenden Transkription, ob die Produktion von RNA fortzusetzen (EIN) oder einzustellen (AUS) ist.

In ihrer kürzlich in eLife veröffentlichten Arbeit untersuchten die Schwalbe-Gruppe und ihre Forschungspartner sowohl den freien als auch den im Transkriptionskomplex gebundenen xpt-pbuX-Riboswitch in An- und Abwesenheit des Botenmoleküls Guanin. So konnten sie nicht nur nachweisen, dass der Wechsel von der AUS- auf die EIN-Stellung eine gewisse Zeit benötigt, sondern auch, dass dies zu einer Besonderheit im Steuerungsprozess führt.

Die RNA-Polymerase liest sich an einem DNA-Strang entlang und bildet dabei die entsprechende RNA; sie erreicht die Stelle, die für den xpt-pbuX-Riboswitch kodiert, transkribiert ihn in RNA und setzt dann ihren Weg auf dem DNA-Strang fort. Nach bisherigen Erkenntnissen war unklar, wie die RNA-Polymerase die Transkription nachfolgender Gene durchführen kann, da in den Experimenten die AUS-Stellung des Riboswitches, unabhängig von der Anwesenheit von Guanin, eingenommen wurde.

Schwalbe und seine Forschungskollegen fanden nun heraus, dass bestimmte Sequenzen, die in der DNA kodiert sind, dafür sorgen, dass die Transkription pausiert und sich somit das Zeitfenster für den Umfaltungsprozess erweitert. Nach Synthese des xpt-pbuX-Riboswitch trifft die RNA-Polymerase auf dieses „Pausenzeichen“, bremst ab und räumt so dem Riboswitch genügend Zeit für seine Umfaltung ein.

Diese Arbeit stellt das bisher detaillierteste kinetische Modell für die Riboswitch-Funktion vor und unterstreicht die Bedeutung von Pausenstellen für unser Verständnis von Riboswitchen im Allgemeinen. Da Forscher erwägen, diese RNA-Schalter als Werkzeuge für Anwendungen der synthetischen Biologie zu nutzen, tun sie gut daran, dabei die Geschwindigkeit der RNA-Polymerase zu bedenken, die von Bakterium zu Bakterium variiert.

Prof. Harald Schwalbe ist seit 2002 Professor für Organische Chemie an der Goethe-Universität. In seiner Forschung nutzt er die NMR-Spektroskopie, um molekulare Mechanismen der Regulation, der Proteinfaltung und von pharmazeutischen Wirkstoffen aufzuklären.

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Bildunterschrift:
Die beteiligten Forscher Dr. Boris Fürtig (von links), Sara Keyhani, Prof. Harald Schwalbe, Prof. Dr. Jens Wöhnert und Dr. Florian Sochor vor einem der Spektrometer, mit denen die Messungen gemacht wurden. (Foto: Daniel Hymon)

Publikation:
Steinert H, Sochor F, Wacker A, Buck J, Helmling C, Hiller F, Keyhani S, Noeske J, Grimm S, Rudolph MM, Keller H, Mooney RA, Landick R, Suess B, Fürtig B, Wöhnert J, Schwalbe H.; Pausing guides RNA folding to populate transiently stable RNA structures for riboswitch-based transcription regulation.; Elife; 2017; doi: 10.7554/eLife.21297.

Informationen: Prof. Dr. Harald Schwalbe, Institut für Organische Chemie und Chemische Biologie, Zentrum für Biomolekulare Magnetische Resonanz, Fachbereich Biochemie, Chemie, Pharmazie, Campus Riedberg, email: schwalbe@nmr.uni-frankfurt.de

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