2´/ 3´ Aminoacylierung in biologischer Translation

In allen lebenden Organismen wird die genetische Information in Form von langkettigen Molekülen, den Nukleinsäuren wie DNA oder RNA, gespeichert. Diese Information wird gelesen und interpretiert, um Proteine, eine andere Art von langkettigen Molekülen, zu produzieren, welche hauptsächlich für das Funktionieren von Zellen verantwortlich sind. Der Prozess der Translation der Übersetzung genetischer Informationen aus Nukleinsäuren in Proteine, ist einer der wichtigsten biologischen Prozesse und viele seiner Aspekte sind universell konserviert. Das zentrale Element des Translationsapparates in den Zellen sind Transfer-RNAs (tRNAs), bei denen ein Nukleinsäuremolekül kovalent an eine einzige Aminosäure, den grundlegenden Baustein von Proteinen, über ein Verfahren der Aminoacylierung gebunden ist. In der Tat können tRNAs als der Punkt gesehen werden, an dem die Welt der Nukleinsäuren in der Zelle am direktesten mit der Welt der Proteine in Verbindung tritt. Wichtig ist, dass die Aminosäure an zwei möglichen Positionen (als 2 `und 3` bezeichnet) in der terminalen Ribose der tRNA gebunden werden kann und, sobald sie hinzugefügt wurde, zwischen diesen beiden Positionen wechseln kann. In der Translation werden jedoch nur Aminosäuren in der 3 Position benutzt. Obwohl sie das Herz des Translationsapparates darstellen, ist der Einfluss der unterschiedlichen Positionen noch nicht vollständig erforscht. Wie sind die Konformationsunterschiede zwischen den beiden Arten der Bindung? Wie beeinflussen sie die Stabilität von tRNAs und ihre Reaktivität im Prozess der Translation? Wie wird die Wechselwirkung der tRNA mit dem Rest des Translationsapparates beeinflusst, je nachdem, wo die Aminosäure gebunden ist? Der vorliegende Antrag nutzt eine Kombination von modernen Computersimulationen, welche von uns durchgeführt werden sollen, und NMR-Experimente, die von unserem Kooperationspartner John D. Sutherland (LMB Cambridge) durchgeführt werden, um diese wichtigen Fragen zu lösen. Die Grundlage für das Projekt ist eine Reihe von vorläufigen Ergebnissen, in denen wir zeigen konnten, dass die 2`-Bindung von Aminosäuren an die tRNA eine eingeklappte, zusammengefaltete Konformation induzieren kann, während die 3`-Bindung eine ausgedehnte Konformation hervorrufen kann, zwei Möglichkeiten mit potentiell großen mechanistischen Konsequenzen. Unser Projekt wird neue Informationen über einen der zentralsten biologischen Prozesse liefern, wobei sowohl die grundlegenden Aspekte des heutigen Mechanismus als auch seine evolutionären Ursprünge erforscht werden. Darüber hinaus erwarten wir, dass unser Projekt auch andere Bereiche wie Biotechnologie und Biomedizin beeinflussen wird. In Bezug auf den letzteren: etwa 50% aller Antibiotika greifen den bakteriellen Translationsapparat an. Es ist unsere Hoffnung, dass die Fortschritte die in unserem Projekt gemacht werden sollen auch neue Strategien in der Medikamentenentwicklung erlauben werden.

Ein Hauptmerkmal aller lebenden Organismen ist, dass sie genetische Informationen in langkettigen Molekülen, so genannten Nukleinsäuren, wie DNA und RNA, verschlüsseln. In einem Prozess, der als Translation bezeichnet wird, werden die in den Nukleinsäuren kodierten Informationen zur Herstellung von Proteinen verwendet, einer anderen Art langkettiger Moleküle, die aus Aminosäuren aufgebaut sind und verschiedene Funktionen in lebenden Zellen erfüllen. Die Übersetzung der genetischen Information ist einer der wichtigsten biologischen Prozesse, und viele seiner Merkmale sind universell konserviert, einschließlich der Verwendung von Transfer-RNAs (tRNAs). tRNAs sind Nukleinsäuren, die kovalent an einzelne Aminosäuren gebunden sind und als Adapter dienen, um die genetische Information mit dem zu verbinden, wofür diese steht. In vielerlei Hinsicht sind tRNAs die Schnittstelle, an der die Welt der Nukleinsäuren und die der Proteine am direktesten aufeinandertreffen. Das übergeordnete Ziel des vorliegenden Projekts bestand darin, die Auswirkungen der beiden wichtigsten Bindungsarten von Aminosäuren an die entsprechenden tRNAs auf atomarer Ebene zu analysieren und zu vergleichen, um zu einem detaillierteren Verständnis der heutigen Merkmale der biologischen Übersetzung und ihrer evolutionären Ursprünge beizutragen. Insbesondere haben wir atomistische Computersimulationen unter Vergleich mit experimentellen Daten verwendet, um zu zeigen, dass der Ort der Aminosäureanbindung große Auswirkungen auf die Konformationseigenschaften von RNAs hat und sich somit direkt auf ihre Stabilität und ihr Potenzial für die Informationsübertragung über große Entfernungen auswirkt. Insbesondere konnten wir zeigen, dass die in der Biologie verwendete spezifische Art der Aminosäureanbindung möglicherweise deswegen ausgewählt wurde, da sie eine verlängerte Konformation hervorruft, die für die Proteinsynthesereaktion besonders förderlich ist. Darüber hinaus haben unsere Arbeiten deutliche Hinweise darauf geliefert, dass eine spezifische Wechselwirkung zwischen einer Nukleinsäure und einer gebundenen Aminosäure die Auswahl bestimmter Paarungen der beiden ermöglicht und zur Entwicklung eines primitiven genetischen Codes geführt haben könnte. Schließlich haben wir im Rahmen dieses Projekts auch computergestützte Werkzeuge für die Charakterisierung gekoppelter Bewegungen in Biomolekülen weiterentwickelt und getestet und an tRNA angewendet. Insgesamt hat unser Projekt neue Informationen über die wesentlichen, atomistischen Details eines der wichtigsten biologischen Prozesse geliefert, und das sowohl im Hinblick auf seinen heutigen Mechanismus als auch auf seine evolutionären Anfänge. Wir gehen davon aus, dass diese Ergebnisse sowohl in grundlegenden wissenschaftlichen Bereichen wie der mechanistischen Biochemie und der Evolutionsbiologie als auch in eher praktischen Bereichen wie der Biomedizin und der Biotechnologie von Bedeutung sein werden.