Translationsinitiation durch E.coli Stressribosomen

Um sich an wechselnden Bedingungen in ihrer Umgebung anzupassen haben Bakterien verschiedene Mechanismen der Stressantwort entwickelt. Ein post-transkriptioneller Mechanismus in Escherichia coli basiert auf der Modifikation der Proteinsynthesemaschinen, den Ribosomen, durch die Endoribonuklease MazF. Dieses Protein ist die toxische Komponente eines Toxin-Antitoxinsystemes, dessen Aktivität durch Stess induziert wird. Generell schneidet MazF die RNA an einzelsträngigen ACA Sequenzen und führt dadurch zur Degradierung der RNA. Ein kleiner Teil der RNA wird aber nur stromaufwärts des Startkodons prozessiert, wodurch die Erkennungssignale für die kanonische Ribosomenbindung entfernt werden. Weiters führt die Aktivierung von MazF auch zur Entfernung der am Ribosom befindlichen Komplementärsequenzen, wodurch es diesen Ribosomen erstaunlicherweise ermöglicht wird, die durch MazF prozessierten mRNA selektiv zu translatieren. Zusammengefasst wird dadurch die Proteinsynthese an die Stressbedingungen angepasst. Überraschenderweise wird durch die Prozessierung aber auch das 5- Ende der mRNA hydroxyliert. Da aber das Fehlen des 5`-Triphosphates an der mRNA die Erkennung durch Ribosomen zusätzlich vermindert, ist das Ziel des Projektes Untersuchungder Translationsinitiation durch Stressribosomen an MazF-prozessierter mRNA und der mögliche Einfluss des Elongationsfaktors P den Mechanismus der Erkennung und Bindung der RNA durch Ribosomen und die daraus resultierende Proteinsynthese unter Stessbedingungen mit Hilfe von molekularen Methoden zu untersuchen. Weiters möchten wir auch den Einfluss des Elongationsfaktors P miteinbeziehen, da vorläufige Ergebnisse daraufhindeuten, dass dieser Faktor eine wesentliche Rolle in dieser Stressinitiation spielen könnte. Da die durch Stress induzierte Heterogenität des bakteriellen Proteinsyntheseapparates auch eine wesentliche Rolle für das Überleben der Bakterien während einer Infektion des Wirtes eine Rolle spielt, könnten die im Rahmen dieses Projektes erworbenen Einblicke in die Regulation der Proteinsynthese neben der Grundlagenforschung auch eine Basis für die Entwicklung neuer Antibiotika darstellen.

Mikroorganismen besiedeln alle Lebensräume unserer Erde. Um überleben zu können, müssen sie sich daher auch an die verschiedensten Stressbedingungen anpassen. Eine sehr effektive Form der Stressantwort ist die Regulation auf post-transkriptionaler Ebene, die ohne die zeitaufwendige Änderung des Transkriptomes erfolgen kann. Hier kann die Modifikation der Ribosomen, der Proteinsynthesemaschinerien der Zelle, auch wesentlich zur Änderung des Translatomes beitragen. Im Rahmen dieses Projektes haben wir weitere Einblicke in die möglichen Veränderungen der Ribosomen unter Stressbedingungen anhand des Modellorganismus E. coli bekommen. Wir konnten zeigen, dass im Gegensatz zu normalen Ribosomen die modifizierten Stressribosomen, die eine verkürzte ribosomale RNA enthalten, auch Transkripte mit einem alternativen 5'-Ende, welches durch endonukleolytische Schnitte entsteht, erkennen und erfolgreich translatieren können. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass während der Stressantwort die Synthese von Proteinen, die das Überleben der Bakterien sichern, uneingeschränkt weiterlaufen kann. Die erhaltenen Einblicke in diese Stressantwort könnten uns auch ermöglichen, während einer bakteriellen Infektion -zusätzlich zu einer Antibiotikatherapie- gezielt in diesen Mechanismus einzugreifen, um das Überleben und die Regeneration von Bakterien zu verhindern. Weiters haben wir im Laufe dieses Projektes zusätzliche Funktionen des Elongationsfaktor P (EF-P) identifiziert. EF-P ist notwendig um die Proteinsynthese an Polyprolinen zu stimulieren und die an dieser Stelle blockierten Ribosomen zu lösen. Wir konnten zeigen, dass EF-P zusätzlich die Translation sogenannter "leaderless" mRNAs, die direkt mirt dem Startkodon beginnen und keine zusätzlichen Signale zur Rekrutierung von Ribosomen haben, inhibiert. Zusammengefasst weisen unsere Ergebnisse darauf hin, dass diese Aktivität nicht auf der Ebene der Translationselongation funktioniert und dass EF-P unter bestimmten Bedingungen auch als Endonuklease aktiv sein kann und mRNAs und tRNAs spalten kann. Somit idizieren diese unerwarteten Resultate eine erweiterte regulatorische Aktivität von EF-P in der Zelle, und stellen eine interessante Grundlage für weitere Untersuchungen dar.