Die Assemblierung von Rps3 an Ribosomen

Ribosomen sind Komplexe bestehend aus ribosomaler RNA (rRNA) und ribosomalen Proteinen, die für die zelluläre Proteinsynthese zuständig sind. Die Synthese von Ribosomen ist ein zentraler Prozeß in allen lebenden Zellen. Die Assemblierung von ribosomalen Proteinen mit der ribosomalen RNA zu Ribosomenvorläufern (prä-Ribosomen) erfolgt im Zellkern. Ribosomale Proteine werden jedoch im Cytoplasma synthetisiert. Um die hohe Geschwindigkeit der Ribosomenbiogenese aufrechtzuerhalten, müssen neu synthetisierte ribosomale Proteine vor Aggregation geschützt werden, effizient in den Zellkern transportiert werden und dort korrekt in Ribosomen eingebaut werden. In diesem Projekt werden wir den Assemblierungsweg von ribosomalen Proteinen anhand des Proteins Rps3 untersuchen. Wie wir gefunden haben, wird neu synthetisiertes Rps3 zuerst von seinem spezifischen Chaperon Yar1 gebunden. In diesem Komplex liegt Rps3 überraschenderweise als Dimer vor. Rps3 wird über Importin a/ß in den Zellkern importiert, wo es dann vermutlich im Komplex mit Yar1 an prä- Ribosomen assembliert wird. Später interagiert Rps3 dann mit dem Assemblierungsfaktor Ltv1. All diese Interaktionspartner haben nah angrenzende beziehungsweise überlappende Bindestellen innerhalb der N-terminalen a-Helix von Rps3. Im ersten Teil dieses Projektes werden wir die Funktionen dieser Interaktionen weiter untersuchen und ihre genaue Zeitabfolge bestimmen. Um Einblicke zu erhalten, wie die einzelnen Bindepartner mit Rps3 interagieren und wie Rps3 von einem Partner zum nächsten übertragen wird, werden wir die Kristallstrukturen des Komplexes von Rps3 mit Importin a sowie von Rps3 mit Ltv1 lösen und einen strukturellen Vergleich der Interaktionen von Rps3 mit unterschiedlichen Partnern ziehen. Der dritte Teil des Projektes wird sich mit der dimeren Konformation von Rps3 befassen. Wir werden untersuchen, wie die Dimere gebildet und wieder aufgelöst werden. Komplexe Konformationen und Interaktionsnetzwerke wie jene von Rps3 könnten auch in anderen Assemblierungsprozessen eine Rolle spielen. Aus diesem Grund könnte die strukturelle und funktionelle Untersuchung des Assemblierungswegs von Rps3 auch die Untersuchung anderer Assemblierungsprozesse ribosomaler und nichtribosomaler Proteine inspirieren. Nachdem die Ribosomenbiogenese von der Hefe bis zum Menschen hoch konserviert ist, werden viele unserer Resultate nicht nur auf die Hefe, sondern auch auf den Menschen zutreffen. Die Assemblierung von ribosomalen Proteinen spielt eine Rolle bei verschiedenen Krankheiten, wie Anämie und Krebs. Aus diesem Grund wird die Untersuchung der Mechanismen der Ribosomenbiogenese längerfristig auch zum molekularen Verständnis von Krankheiten beitragen.

Sämtliche Proteine in der Zelle werden von einer effizient und präzise arbeitenden Nanomaschine, dem Ribosom, gefertigt. Jede Zelle enthält mehr als 100.000 Ribosomen. Diese sind durchgehend in Betrieb um Proteine zu produzieren. Entsteht durch Zellteilung eine neue Zelle, so benötigt auch diese 100.000 Ribosomen, welche aus mehreren Einzelbestandteilen, den ribosomalen RNAs (rRNAs) und den ribosomalen Proteinen (r- Proteinen) zusammengesetzt werden müssen. Erschwert wird dies durch die Tatsache, daß die rRNA im Zellkern gebildet wird, die r-Proteine jedoch im Zytoplasma. Damit diese Komponenten miteinander in Kontakt kommen können, müssen die r-Proteine in den Zellkern transportiert werden und anschließend korrekt mit der rRNA zusammengesetzt werden. In diesem Projekt haben wir exemplarisch den Weg eines r-Proteins, Rps3, von seiner Neubildung bis zum stabilen Einbau in ein neues Ribosom verfolgt. Überraschender Weise haben wir entdeckt, daß neu gebildetes Rps3 als Dimer vorkommt, das heißt zwei Rps3 Proteine sind aneinander gebunden. Vermutlich macht dies Rps3 stabiler für den Transport in den Zellkern. Die freien Rps3-Enden dieses Dimers werden von zwei verschiedenen Proteinen gebunden. Eines davon hat die Funktion eines "Bodyguards", der Rps3 vor ungewünschten Kontakten mit anderen Molekülen schützt, das zweite funktioniert als "Shuttle", das Rps3 in den Zellkern transportiert. Dort kommt Rps3 mit der rRNA in Kontakt, und der "Bodyguard" wird schlußendlich durch Verdrängung durch ein anderes Protein wieder freigesetzt. Wir konnten außerdem zeigen, daß auch zwei weitere r-Protein, Rps6 und Rps2, eigene "Bodyguards" besitzen. Unsere Daten weisen darauf hin, daß Rps2 teilweise ähnliche Mechanismen wie Rps3 nutzt, um in den Zellkern zu gelangen und in entstehende Ribosomen eingebaut zu werden. Unsere Studie macht deutlich, daß Zellen nicht nur vor der Herausforderung stehen, große Mengen an r-Proteinen produzieren zu müssen. Davon abgesehen müssen sie auch sicherstellen, daß die neu gebildeten r-Proteine sicher in den Zellkern gelangen, wo sie an die rRNA binden können. Nur wenn all diese Einzelschritte korrekt ausgeführt werden, entsteht ein funktionstüchtiges Ribosom, das in der Lage ist, seinen Anteil an der Aufrechterhaltung der hohen Proteinproduktion der Zelle zu leisten.