Catalysis by an "RNA-free" RNase P

Transfer RNAs (tRNAs), die Adaptermoleküle der Proteinsynthese, werden als unreife Vorstufen synthetisiert. Zu ihrer Reifung müssen unter anderem Überhänge an ihrem vorderen Ende entfernt werden. Für die Entfernung dieser Überhänge ist ein Enzym namens RNase P verantwortlich. Alle bis vor kurzem näher untersuchten RNase P- Enzyme bestehen aus RNA und ein oder mehreren Proteinen, wobei die RNA der für die Abspaltung des Überhangs tatsächlich verantwortliche Bestandteil ist. RNase P galt daher bis vor kurzem als ein ubiquitär vorkommendes RNA-Enzym (Ribozym) und als ein Überbleibsel jener hypothetischen RNA-Welt, in der Enzyme generell aus RNA aufgebaut waren. Unsere Untersuchungen der humanen mitochondrialen RNase P (mtRNase P) haben nun einen Paradigmenwechsel eingeleitet. Das mitochondriale Enzym enthält nämlich keine RNA, sondern besteht ausschließlich aus Proteinen. Nichtsdestoweniger katalysiert mtRNase P die gleiche Reaktion und erfüllt die gleiche biologische Funktion wie seine RNA-basierten Vorgänger. Die Gruppe der RNase P-Enzyme dürfte damit insofern einzigartig sein, als sie Repräsentanten verschiedener Stufen des evolutionären Übergangs von RNA- zu Protein-basierter Katalyse umfasst. In diesem Projekt wollen wir den katalytischen Mechanismus der mtRNase P aufklären und ihn mit jenem der Ribozm-Isoformen vergleichen. mtRNase P besteht aus drei Proteinen, die als MRPP1, 2 und 3 bezeichnet werden. MRPP1 und MRPP2 besitzen noch eine weitere Funktion im tRNA-Metabolismus: sie bilden zusammen einen Methyltransferase-Komplex, der tRNAs modifiziert und vermutlich auch für die tRNA-Spezifität der mtRNase P verantwortlich ist. Für die Abspaltung von tRNA-Überhängen sind allerdings noch das dritte Protein (MRPP3) und Magnesium erforderlich. MRPP3 enthält außerdem eine vermutliche RNA-Bindungs- und eine Nukleasedomäne. Wir nehmen daher an, daß MRPP3 die eigentliche katalytisch aktive Komponente der mtRNase P ist. Ziel des Projekts ist ein umfassendes Verständnis des katalytischen Mechanismus und der Biologie der mtRNase P. Dazu wollen wir (1) die molekulare Struktur von MRPP3 und seine Interaktionen mit den anderen Komponenten des Enzyms sowie mit tRNA- Substraten aufklären, (2) die für Substraterkennung, Positionierung der Schnittstelle und Katalyse verantwortlichen funktionellen Gruppen des Enzyms und des Substrats identifizieren, (3) die Funktion und die Interaktionen von an der Hydrolyse beteiligten Metall-Ionen untersuchen, und (4) die Zellbiologie und Evolution von MRPP3 aufklären. Langfristiges Ziel des Projektes ist es zu verstehen, wie und warum die Evolution den ursprünglichen RNA- Katalysator in der Evolution tierischer Mitochondrien durch ein Proteinenzym ersetzt hat, während er in der Mehrheit biologischer Systeme für den Zweck der tRNA-Reifung erhalten blieb.

Ribonuklease P (RNase P) ist das Enzym, das die Überhänge am 5-Ende von Transfer- RNA-Vorstufen entfernt. Trotz dieser verhältnismäßig einfachen Aufgabe, bilden die RNase P-Enzyme verschiedener Organismen eine der vielfältigsten heute bekannten Enzymfamilien. Das in allen Lebensformen vorkommende Enzym wurde ursprünglich als RNA-Enzym (Ribozym) bekannt, ein RNA-Protein-Komplex (Ribonukleoprotein) bei dem die RNA die katalytische Funktion übernimmt. Der Protein-Anteil dieses Ribonukleoproteins vergrößerte sich offenbar im Laufe der Evolution von einem Protein in Bakterien, auf bis zu 10 Proteine in den Enzymen des Zellkerns mancher Eukarya. Im Gegensatz zu diesen Ribonukleoproteinen entdeckten wir in einem vorangegangenen Projekt, daß die RNase P der menschlichen Mitochondrien nur aus Proteinen besteht. Im Verlauf dieses Projekts konnten wir nun zeigen, daß ein Protein statt einer RNA für die RNase P-Funktion in den Organellen, und auch Zellkernen, zahlreicher Eukarya verantwortlich ist. Im Unterschied zu den bisher beschriebenen, komplexen Ribonukleoproteinen eukaryaler Zellkerne, besteht diese Form der RNase P aber nur aus einem einzigen, simplen Protein. Obwohl die RNA- basierenden und die Protein-Formen der RNase P verschiedene Mechanismen der Katalyse verwenden, sind doch ihre Substratspezifitäten und funktionellen Eigenschaften erstaunlich ähnlich, und die so verschiedenen Enzymformen konnten sogar gegeneinander ausgetauscht werden, ohne die Fitness der betroffenen Organismen wesentlich zu beeinträchtigen. RNase P stellt damit ein einzigartiges und auch extremes Beispiel konvergenter Evolution auf molekularer Ebene dar.