Strukturelle Änderungen bei der Synthese der 40S Untereinheit

Ribosomen sind komplexe molekulare Maschinen, die für die Proteinsynthese in der Zelle verantwortlich sind. Die Herstellung von Ribosomen (Ribosomenbiogenese) ist ein aufwändiger zellulärer Prozeß, an dem zahlreiche sogenannte Assemblierungsfaktoren beteiligt sind. Diese werden benötigt, damit Ribosomen korrekt aus ihren Bestandteilen, den ribosomalen Proteinen und ribosomalen RNAs, zusammengesetzt werden. Dabei werden zuerst große Vorläuferpartikel gebildet, die schließlich in zahlreichen einzelnen Schritten zu funktionellen Ribosomen reifen, welche jeweils aus einer kleinen (40S) und einer großen (60S) Untereinheit aufgebaut sind. Im Zuge dieser Reifungsschritte kommt es unter anderem auch zu Umstrukturierungen der Vorläuferpartikel. Gegenstand dieses Projektes ist die Untersuchung einer massiven Umstrukturierung, die in Vorläufern der 40S-Untereinheit stattfindet. Dabei wird ein Teil der RNA der Untereinheit ausgewölbt, wodurch die sogenannte "Schnabelstruktur" entsteht. Es ist bereits bekannt, daß diese strukturelle Änderung in Zusammenhang mit der Ablösung zweier Assemblierungsfaktoren, Ltv1 und Enp1 steht. Ziel dieses Projektes ist es, den Mechanismus dieser Umstrukturierung im Detail aufzuklären, wobei wir die Hefe als Modellorganismus verwenden. Wir haben bereits herausgefunden, daß Ltv1, solange es an 40S-Vorläufer gebunden ist, wichtige Kontakte zwischen ribosomalen Proteinen verhindert. Unsere Daten weisen außerdem darauf hin, daß die Ausbildung dieser Kontakte notwendig ist, damit Ltv1 verdrängt und somit schließlich abgelöst werden kann. Für die Ablösung von Ltv1 und Enp1 ist außerdem deren Phosphorylierung notwendig. Eine weitere wichtige Voraussetzung für die Ablösung dieser Assemblierungsfaktoren ist die Aktivität eines weiteren Faktors, Rio2. In diesem Projekt soll geklärt werden, wie genau sich 40S-Vorläufer strukturell von reifen 40S- Untereinheiten unterscheiden, beziehungsweise, welche Kontakte im Zuge der Reifung gelöst und welche neu hergestellt werden müssen. Des Weiteren sollen Hefestämme untersucht werden, in denen bestimmte Interaktionen aufgrund von Mutationen nicht mehr ausgebildet werden können, um herauszufinden, welche Defekte sich dadurch ergeben. Schließlich wollen wir auch abklären, wie die einzelnen Schritte miteinander in Zusammenhang stehen und koordiniert werden, damit am Ende die korrekte Ribosomenstruktur entstehen kann. Von diesem Projekt erwarten wir uns nicht nur wesentliche Erkenntnisse über den Ablauf eines wichtigen Reifungsschritts der 40S-Untereinheit, sondern darüber hinaus auch ein besseres allgemeines Verständnis von Umstrukturierungsprozessen in der Ribosomenbiogenese sowie in anderen zellulären Prozessen. Nachdem alle Faktoren, die in diesem Projekt untersucht werden, auch in menschlichen Zellen vorkommen, ist zu erwarten, daß unsere Erkenntnisse auch auf die Ribosomenbiogenese im Menschen umgelegt werden können.

Ribosomen sind extrem wichtige Nanomaschinen, die für die Produktion von sämtlichen Proteinen in jeder Zelle verantwortlich sind. Daher ist es auch lebenswichtig, dass diese Maschinen korrekt arbeiten. Aus diesem Grund betreiben Zellen einen riesigen Aufwand, um diese komplexen Maschinen fehlerfrei herzustellen. Dieser Herstellungsprozess wird auch als Ribosomensynthese bezeichnet. Fehler in diesem Prozess können Krankheiten wie Krebs und Knochenmarkserkrankungen verursachen. Jedes Ribosom ist aus denselben Bausteinen aufgebaut, und zwar aus vier ribosomalen RNAs und 80 verschiedenen ribosomalen Proteinen. Man kann sich die Synthese von Ribosomen wie eine Baustelle vorstellen, in der verschiedene Arbeiter die einzelnen Bausteine in der richtigen Reihenfolge zusammenfügen. Außerdem arbeiten manche dieser Arbeiter als Bildhauer, die die Struktur der entstehenden Ribosomen weiter formen. Insgesamt sind mehr als 200 verschiedene solche Arbeiter, genannt Assemblierungsfaktoren, an der Produktion jedes einzelnen Ribosoms beteiligt. Da diese Assemblierungsfaktoren an vielen unterschiedlichen, zum Teil weit entfernten Stellen am Ribosom arbeiten, stellten wir uns die Frage, wie die Zelle in der Lage ist, die Bauarbeiten zwischen unterschiedlichen, weit entfernten Regionen des entstehenden Ribosoms zu koordinieren. Um dieser Frage nachzugehen, haben wir uns auf zwei verschiedene, wichtige Konstruktionsarbeiten konzentriert, die an weit entfernten "Baustellen" im Ribosom stattfinden. Dabei haben wir beobachtet, dass die Arbeiten an jeder dieser Baustellen anfangs unabhängig von der anderen Baustelle stattfinden. Die Arbeiten werden aber an beiden Seiten an einem bestimmten Punkt eingestellt. Wir haben herausgefunden, dass ein bestimmtes ribosomales Protein, Rps20, als Verbindungsdraht zwischen den beiden unterschiedlichen Regionen fungiert. Nur wenn die Arbeiten an beiden Baustellen korrekt ausgeführt worden sind, gibt Rps20 das Signal, dass die Arbeiten fortgesetzt werden können. Somit fungiert Rps20 als Qualitätskontrolleur, der eine Weiterführung der Arbeiten nur dann erlaubt, wenn alle früheren Schritte korrekt ausgeführt wurden. Es ist uns auch gelungen, diese Schritte im Reaktionsgefäß nachzustellen. Dabei konnten wir die Arbeitskaskade an ausgesuchten Schritten blockieren. Dadurch konnten wir die Bauarbeiten zu ausgewählten Zeitpunkten "einfrieren" und anschließend die Strukturen der sich im Syntheseprozess befindlichen Ribosomen untersuchen. Dadurch ist es uns gelungen, normalerweise sehr kurzlebige Stadien dieses Prozesses sichtbar zu machen. Wir erwarten, daß unsere Arbeit zu einem besseren Verständnis darüber führen wird, wie der Ribosomensyntheseprozess funktioniert. Dies wird auch helfen, besser zu verstehen, was die Ursachen von Krankheiten sind, die durch Fehler in der Ribosomensynthese zustande kommen.