Makromolekulare Kristallografie

Keine unserer Tätigkeiten wäre möglich ohne Enzyme. Als Biokatalysatoren im Körper jedes Lebewesens sorgen sie dafür, dass die unzähligen biochemischen Prozesse in unseren Zellen korrekt ablaufen. Nicht nur Proteine, sondern auch die Nukleinsäuren RNA und DNA können als Enzyme arbeiten. Ein großer Enzymkomplex, in dem RNAs eine wichtige Rolle spielen, ist das Spleißosom. Diese Nanomaschine spielt eine wichtige Rolle bei der Proteinproduktion in unseren Zellen – macht sie Fehler bei der Arbeit, können ernste Krankheiten entstehen. Wir verwenden biochemische Methoden, die Röntgenstrukturanalyse und zunehmend auch die Elektronenmikroskopie um die Funktionsweise des Spleißosoms im molekularen Detail zu verstehen.

Im Spleißosom arbeiten RNA und Proteine zusammen

Kristallstruktur der RNA-Helicase Aquarius

Proteine werden nach Bauplänen hergestellt, die in den Genen auf unserer Erbsubstanz gespeichert sind. Will die Zelle ein bestimmtes Protein herstellen, fertigt sie von dem entsprechenden Gen zunächst eine Kopie an: die sogenannte Boten-RNA. Bevor diese jedoch für die Produktion des Proteins genutzt werden kann, muss sie einen Reifungsprozess durchlaufen, das Spleißen. Der Bauplan für das Protein liegt nämlich nicht in einem Stück auf der Boten-RNA, sondern in „Exon“ genannten Abschnitten, die durch Bereiche ohne Bauplan, sogenannte „Introns“, voneinander getrennt sind. Beim Spleißen schneidet das Spleißosom die Introns aus der Boten-RNA heraus und verbindet die Exons miteinander. Aus ein- und derselben Boten-RNA setzt das Spleißosom mal alle, mal nur bestimmte Exons zum endgültigen Bauplan für ein Protein zusammen. So lassen sich mit der Information eines Gens verschiedene Proteine herstellen, indem die Exons unterschiedlich miteinander kombiniert werden – je nachdem, welche Form eines Proteins die Zelle gerade braucht.

Entsprechend wandlungsfähig muss das Spleißosom sein: Es gilt als das komplexeste bekannte Enzym in unseren Zellen. In ihm arbeiten fünf verschiedene kleine RNA-Moleküle (die snRNAs U1, U2, U4, U5 und U6) und rund 150 verschiedenen Proteine. Die snRNAs übernehmen die Katalyse der biochemischen Reaktionen, während die Proteine das Spleißosom aufbauen, zusammenhalten und während seiner Arbeit immer wieder blitzschnell umformen. Ziel unserer Forschungsgruppe ist, zu verstehen, wie diese Veränderungen in der Struktur des Spleißosoms vonstattengehen. Vor allem möchten wir mehr darüber lernen, wie die Zelle diese Veränderungen steuert.

Helicasen steuern das Spleißen

Während das Spleißosom arbeitet, durchläuft es zahlreiche Stadien, in denen seine räumliche Gestalt und seine Zusammensetzung sich ständig verändern. So interagieren die snRNAs beispielsweise in raschem Wechsel mit unterschiedlichen anderen snRNAs und Proteinen. Diese schnellen Abfolgen werden von sogenannten RNA-Helicasen vorangetrieben und kontrolliert.

Wir haben die räumliche Struktur einer menschlichen RNA-Helicase namens Aquarius aufgeklärt (Abbildung 1) und konnten zeigen, dass sie wichtige Kontakte innerhalb des Spleißosoms vermittelt. So hilft Aquarius dabei, Introns korrekt auszuschneiden und Exons richtig zusammenzufügen. Die RNA-Helicase stabilisiert dazu den Intron-Bindekomplex (englisch intron-binding complex) und sorgt auch dafür, dass der Exon-Verbindungskomplex (englisch exon junction complex) an der korrekten Position ist. In Zukunft möchten wir im molekularen Detail herausfinden, wie genau Aquarius diese Aufgaben erfüllt.

DNA-Enzyme

Kristallstruktur eines DNA-Enzyms (9DB1) im Komplex mit dem ligierten RNA-Produkt

Die DNA ist vor allem als Speicher für unsere Erbinformation bekannt, doch vor etwa 20 Jahren wurden DNA-Moleküle entdeckt, die chemische Reaktionen katalysieren können. Noch immer wissen Forscher kaum etwas darüber, wie solche DNA-Enzyme funktionieren. Gemeinsam mit der Gruppe von Claudia Höbartner an der Universität Göttingen ist es uns erstmals gelungen, die räumliche Struktur eines DNA-Enzyms zu ermitteln (Abbildung 2). Künftig wollen wir über weitere DNA-Enzyme herausfinden, wie sie räumlich aufgebaut sind, um mehr über ihre Funktionsweise zu lernen. Wir möchten auch selbst DNA-Enzyme als Werkzeuge für die Wissenschaft herstellen, die eines Tages sogar für die Medizin nützlich sein könnten.

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