| Wissenschaftlicher
Bericht Institut für Biochemie |
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| 1.
Viroide, die allerkleinsten Krankheitserreger höherer Pflanzen Matthias Wagner, Britta Haberpursch, Harald Polivka, Uwe Staub und Hans J. Gross |
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Viroide sind
die kleinsten bekannten Krankheitserreger. Sie infizieren ausschließlich
höhere Pflanzen, wo sie z.T. schwere Symptome wie Wachstumshemmung, Vergilbung
der Blätter, Reduktion der Blüten- bzw. Fruchtbildung etc. bewirken. Sie
bestehen aus zirkulären, einzelsträngigen RNA-Molekülen mit einer Länge
von 240 bis 600 Nukleotiden. Die RNA bildet eine stäbchenförmige Sekundärstruktur
mit alternierenden helikalen Bereichen und einzelsträngigen Schleifen
aus. Viroide sind für ihre Replikation vollständig vom enzymatischen System
ihrer Wirtspflanzen abhängig, da sie selbst nicht für Proteine codieren.
Der Mechanismus der Pathogenese ist noch rätselhaft. Weltweit sind mehr
als 20 Viroid-Spezies bekannt. Die Wirte sind überwiegend kommerziell
wichtige Nutzpflanzen, die in Monokultur gezogen werden. Der durch Viroide
verursachte wirtschaftliche Schaden ist oftmals beträchtlich (Abb. 1). |
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| 2.
Suche nach Proteinen, die an der Pathogenese der Fanconi-Anämie beteiligt
sind Tanja Reuter, Sabine Herterich und Hans J. Gross (in Zusammenarbeit mit Prof. H. Höhn, Institut für Humangenetik, Biozentrum, Würzburg) |
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Fanconi-Anämie (FA) ist eine
autosomal rezessiv erbliche Krankheit des Menschen, die durch progressive
Pancytopenie, chromosomale Instabilität und ein erhöhtes Krebsrisiko charakterisiert
ist. Die Krankheit gehört zur Gruppe der menschlichen Chromosomenbruchsyndrome,
die durch Hypersensibilität gegenüber DNA-schädigenden Einflüssen wie
alkylierende und quervernetzende Substanzen oder ionisierende Strahlung
charakterisiert sind. Diese Krankheiten sind interessante Modellsysteme
für die Erforschung von DNA-Reparatur-Prozessen, die zur Erhaltung der
chromosomalen Integrität erforderlich sind. |
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Wir benutzen
für die Suche nach FAA- und FAC-Protein-Interaktoren das "Interaction
Trap Yeast Two Hybrid System", eine vor wenigen Jahren beschriebene
Methode, die sich vor allem bei der Suche nach Interaktoren im Bereich
der Zellzyklus- und Tumorforschung als sehr erfolgreich erwiesen hat.
Dieses System benutzt die Expression von Hefe-Reportergenen als Phänotyp
zum Nachweis von Protein-Protein-Interaktionen (Abb. 2). |
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| 3.
Beschleunigung von RNA-Selbstspaltung durch micellare Katalyse Andrea Riepe, Hildburg Beier und Hans J. Gross |
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Es ist neuerdings berichtet worden, daß natürlich vorkommende katalytische RNAs wie das "hammerhead"- bzw. das "hairpin"-Ribozym keine Metallionen für die effiziente Katalyse benötigen. Anscheinend ist die dreidimensionale Struktur der RNA für die katalytische Funktion wichtiger als bisher vermutet. Wir fanden, daß eine hoch-spezifische Selbstspaltungsreaktion in einem "bulge loop" von vier Nukleotiden in einem Minisubstrat, welches sich von intron-haltiger pre-tRNATyr aus Arabidopsis thaliana ableitet, in Abwesenheit von Metallionen abläuft. NH4+-Kationen und nicht-ionische oder zwitterionische Detergenzien bei oder über ihrer kritischen Mizellenkonzentration sind ausreichend, um diese Reaktion zu katalysieren. Die Abhängigkeit der Reaktion von Mizellen führt zu der Annahme, daß physikalische Eigenschaften wie das hydrophobe Innere der Mizellen für die Selbstspaltung notwendig sind. Wir vermuten, daß die NH4+-Ionen eine entscheidende Rolle für den Eintritt der negativ geladenen RNA in das hydrophobe Innere der Detergenzmizelle spielt. Eine Änderung des Hydratisierungsmusters oder von Wasserstoffbrücken, die durch die hydrophobe Umgebung bewirkt wird, beschleunigt die Reaktion um den Faktor 100. Diese Beobachtungen lagen nahe, daß hoch strukturierte RNAs pKa-Werte auf Grund der lokalen Umgebung zum Neutralen hin verschieben können und dadurch in die Lage versetzt werden, Säure-Base-Katalyse ohne die Beteiligung von Metallionen auszuführen. |
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| 4.
Analyse von Startsequenzen für die DNA-Replikation Eric Gögel, Caroline Staib und Friedrich Grummt |
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Wir beschäftigen
uns mit dem Mechanismus und der Regulation der chromosomalen DNA-Replikation
in Säugetierzellen. |
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| 5.
Die Termination chromosomaler DNA-Replikation durch Replikationsgabel-Barrieren Josef Gerber, Eric Gögel, Michael Wallisch, Christian Berger und Friedrich Grummt |
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Zahlreiche experimentelle
Ergebnisse zeigten, daß die Prozesse der DNA-Replikation und der Transkription
antagonistisch zueinander sind. Deshalb wird sowohl bei Pro- als auch
bei Eukaryonten im Regelfall vermieden, daß beide Prozesse gleichzeitig
ablaufen. Wenn dies jedoch nicht vermeidbar ist, werden offenbar räumliche
Strukturen wirksam, die eine Kopf-zu-Kopf-Kollision von Replikations-
und Transkriptionsapparat vermeiden. Wir konnten erstmals im eukaryontischen
Genom eine Replikationsgabelbarriere (RFB, replication fork barrier) nachweisen,
die eine bidirektionelle Gabelwanderung blockiert und somit eine Kopf-zu-Kopf-
Kollision verhindert. Um diesen Replikationsgabel-Arrest in vitro
zu erforschen, wurden DNA-Fragmente aus dem 3'- terminalen Bereich der
murinen rDNA-Transkriptionseinheit in eine Replikationsmatrize inseriert
und die Replikationsprodukte analysiert. Punkt-spezifische Termination
erfordert DNA-Sequenzen und Proteinfaktoren, die auch für die Transkriptionstermination
notwendig sind, d. h. ein sog. Sal-Box-Terminatorelement und den Terminationsfaktor
TTF-I. Die RFB wirkt polar, d. h. sie arretiert Replikationsgabeln nur
dann, wenn sie entgegengesetzt zur Transkriptionsrichtung wandern. Mutationen
im Terminatormotiv oder Entzug von TTF-I hebt die RFB-Aktivität auf. Dies
zeigt, daß TTF-I in die punktspezifische Termination ursächlich involviert
ist. Allerdings ist - im Gegensatz zur Transkription, bei der das 18 bp
Sal-Box-Motiv allein für die Termination ausreicht - die RFB ein modular
organisiertes Element, das spezifische GC- und AT-reiche Sequenzen benötigt,
die die Sal-Box flankieren. |
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| 6.
Natürliche Suppressor tRNAs und Abweichungen vom genetischen Code Michael Baum, Michael Grimm und Hildburg Beier |
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Es sind eine Vielzahl animal-
und phytopathogener RNA-Viren (wie z.B. Maus Leukämie und Sindbis Virus
sowie Tabak Mosaik, Tabak Rassel und Kartoffel Blattvoll Virus) bekannt,
die sich die Anwesenheit natürlicher Suppressor tRNAs in der Wirtszelle
zu Nutze machen, um bestimmte Proteine auf unkonventionellem Wege zu exprimieren.
Diese Viren besitzen in ihrem RNA-Genom offene Leseraster, die durch Terminationscodons
(UAG, UAA, UGA) unterbrochen werden. Suppressor tRNAs sind in der Lage
– abhängig von ihrer Struktur und Nukleotidsequenzen auf der 3‘Seite des
Stopcodons in der viralen RNA – unorthodoxe Anticodon-Codon Wechselwirkungen
einzugehen und somit das Stopcodon als Sinncodon zu lesen.
Es ist uns gelungen, die Suppressionseigenschaften
der genannten tRNAs mit Hilfe geeigneter Konstrukte, welche Durchleseregionen
verschiedener viraler RNAs enthalten, in einem in vitro Translationssystem
aus Weizenkeimen zu untersuchen und diese Ergebnisse unter Verwendung
von Tabakprotoplasten auch in vivo zu bestätigen. |
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| 7.
Spleißen Intron-haltiger tRNA Vorläufer Volker Junker, Kazuhito Akama und Hildburg Beier |
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Eukaryontische
tRNAs werden von der RNA-Polymerase III als Vorläufermoleküle mit 5‘-
und 3‘-flankierenden Sequenzen synthetisiert. Bei den pflanzlichen tRNATyr-
und tRNAMet-Genen sind die codierenden Sequenzen zudem durch
intervenierende Sequenzen unterbrochen. Dies macht es erforderlich, daß
als ein weiterer Reifungsschritt die Exzision des Introns erfolgen muß,
bevor die reifen tRNAs vom Kern in das Cytoplasma transportiert werden
[35]. Bei der Spleiß-Reaktion sind im wesentlichen zwei Enzyme beteiligt:
eine Endonuklease, die das Intron herausschneidet und eine Ligase, die
die entstandenen tRNA-Hälften zu einem funktionsfähigen tRNA-Molekül verknüpft.
Dabei ist u.a. bemerkenswert, daß die tRNA-Ligase aus der Bäckerhefe ein
monomeres Enzym darstellt, das mindestens drei enzymatische Aktivitäten,
nämlich 2‘,3‘-cyclische Phosphodiesterase, Polynukleotidkinase und RNA-Ligase
Aktivität besitzt. Unser Ziel ist es, das tRNA-Ligase Gen aus einer cDNA
Genbibliothek von Arabidopsis thaliana mittels Komplementation
in der Hefe zu isolieren und die funktionellen Domänen der pflanzlichen
tRNA Ligase näher zu charakterisieren. Weiterhin befassen wir uns mit
der Substratspezifität der pflanzlichen Spleiß-Endonuklease, die nur homologe
Intron-haltige pre-tRNAs akzeptiert. Wir haben mit Hilfe von Mutationsanalysen
festgestellt, daß zum einen Nukleotide im Zentrum der maturen Domäne und
an den Grenzen der 5‘ und 3‘ Spleißstellen von pre-tRNATyr und
pre-tRNAMet und zum anderen eine definierte Sekundärstruktur
des Introns (Abb. 4) für eine korrekte und effiziente Intronexzision notwendig
sind [30, 38]. |
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| 8.
Substraterkennungsmechanismen der Ribonuklease P Olaf Gimple, Christiane Fingerhut und Astrid Schön |
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Ribonuklease P ist das in allen
Organismen für die 5'-Prozessierung von pre-tRNAs essentielle Enzym. Die
eubakteriellen und einige der archaebakteriellen RNase P-RNAs können in
vitro die Prozessierungsreaktion korrekt durchführen, weisen also
Ribozymaktivität auf [42]. Solche Ribozyme
können als "molekulare Scheren" zielgenau zur Zerstörung unerwünschter
RNAs eingesetzt werden, sofern ihre Anforderungen an die Struktur des
Substrates bekannt sind. Die aktuellen Arbeiten der RNase P-Forschung
in unserer Gruppe widmen sich Aufbau, Struktur und Substraterkennung der
Enzyme aus Chloroplasten und deren bakteriellen "Vorfahren",
den Cyanobakterien. |
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Die meisten bakteriellen RNase P-RNAs - wie z. B. aus E. coli und B. subtilis - besitzen eine spezifische Bindungsstelle für das CCA-Ende der pre-tRNA. Das Substrat wird hier über 2-3 Basenpaare gebunden (Abb. 5); pre-tRNAs ohne CCA-Ende werden schlechter gebunden und daher vom Ribozym nur ineffizient umgesetzt [40]. Die von uns untersuchte RNase P-RNA aus dem Cyanobakterium Prochlorococcus marinus weist im Gegensatz zu den genannten RNAs kein solches CCA-Bindungsmotiv auf. Sie wird daher, wie auch die strukturell sehr ähnliche Cyanellen-RNase P RNA (s.u.), dem bei den Cyanobakterien häufigsten Typ zugeordnet und kann als Modell für das Organellenenzym betrachtet werden [41]. Obwohl das p. marinus-Ribozym kein solches Sequenzmotiv besitzt, führt das Fehlen des CCA-Endes im Substrat zu einem dramatisch verringerten Umsatz. Diese RNase P RNA muss also eine Bindungsstelle für das 3'-Ende der pre-tRNA besitzen, welche in Sequenz und/oder Position vom bekannten "GGU-Motiv" abweicht. Die Identifikation dieser neuartigen Substratbindungsstelle und die weitere Charakterisierung von Bindungs- und Reaktionsmechanismus der p. marinus RNase P RNA sind Teil der aktuellen und geplanten Projekte. |
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| 9.
RNase P aus Cyanobakterien und primitiven Plastiden als Modellsystem für
das Chloroplastenenzym Christian Heubeck, Axel Cordier, Christiane Fingerhut und Astrid Schön |
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In Eu- und Archaebakterien,
eukaryontischen Zellkernen, Mitochondrien primitiver Organismen und den
Plastiden bestimmter einzelliger Algen besitzt die RNase P eine RNA-Komponente.
Ausnahmen hiervon sind die Mitochondrien und Chloroplasten höherer Tiere
und Pflanzen, in denen bisher keine solche Nukleinsäurekomponente nachgewiesen
werden konnte. Die Cyanellen der primitiven Alge Cyanophora paradoxa
entsprechen morphologisch und molekulargenetisch einer Zwischenstufe
in der Evolution von Cyanobakterien zu Chloroplasten. Wir befassen uns
mit der Aufklärung von Struktur und Funktion der RNase P aus diesen photosynthetischen
Organellen; dieses Enzym ist bisher die einzige Plastiden-RNase P, für
welche eine essentielle RNA-Komponente nachgewiesen werden konnte. Sequenz
und Sekundärstruktur der RNase P-RNA aus Cyanellen ähneln denjenigen aus
Cyanobakterien, weichen jedoch an zwei Positionen von allen bakteriellen
RNase P-RNAs ab (Abb. 6). Ein in vitro- Transkript dieser RNA besitzt
keine Ribozymaktivität; ein Zusammenhang zwischen diesen Sequenzunterschieden
und der fehlenden Fähigkeit zur Katalyse besteht jedoch nicht [43].
Strukturuntersuchungen zeigten, dass die Faltung des synthetischen Transkripts
mit derjenigen der nativen RNA im Holoenzym übereinstimmt. Ausserdem weist
die Cyanellen-RNase P einen relativ hohen Proteinanteil auf und ist damit
den kern- und mitochondrienspezifischen Holoenzymen anderer Eukaryonten
ähnlicher als dem bakteriellen Enzymtypus. Die RNase P aus den photosynthetischen
Organellen von C. paradoxa kann daher als echte Übergangsform zwischen
dem cyanobakteriellen und eukaryontischen Enzymtyp angesehen werden und
damit als Modell zum besseren Verständnis der Struktur-Funktionsbeziehungen
in dieser einzigartigen Familie von Ribonukleoprotein-Enzymen dienen. |
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Der Vergleich der Umgebung des RNase P-RNA-Gens (rnpB) aus Cyanellen mit den entsprechenden Regionen verschiedener Chloroplastengenome lässt erkennen, dass schon die Plastomorganisation einer primitiven Landpflanze (M. polymorpha) nur durch mehrere weitreichende Rekombinationsereignisse abgeleitet werden kann (Abb. 7). Es ist also durchaus vorstellbar, dass im Laufe der Chloroplastenevolution ein RNase P-RNA-Gen durch Reorganisation des Organellengenoms stark verändert oder aber in das Kerngenom transferiert wurde. Die rnpB-Region des Cyanobakteriums P. marinus zeigt dagegen auffällige Ähnlichkeit zur Anordnung in den Plastomen von C. paradoxa und der Rotalge Porphyra purpurea [44, 45]. Vergleiche mit Plastiden weiterer ursprünglicher eukaryontischer Algen können Hinweise auf die Rekombinationsereignisse geben, die zum Verlust des rnpB-Gens in grünen Plastiden geführt haben. In entsprechenden Untersuchungen zur Evolution von RNase P RNA in primitiven Plastiden wird überprüft, ob die Struktur dieser Genomregion zumindest in den näheren Verwandten von C. paradoxa und P. purpurea konserviert ist, oder ob bereits hier die für den Verlust von rnpB verantwortlichen Rekombinationsereignisse stattgefunden haben. |
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