Dynamik der Ribosomenbiogenese

Ribosomen sind jene Maschinen der Zelle die Proteine herstellen. Die Produktion neuer Ribosomen - die Ribosomenbiogenese - ist eine essentielle und enorm Ressourcen verbrauchende Aufgabe für jede wachsende und sich teilende Zelle. In eukaryotischen Zellen werden mehr als 200 zusätzliche Reifungsfaktoren benötigt, um alle Komponenten eines Ribosoms (Proteine und RNAs) richtig zusammenzusetzen. Die Ribosomenbiogenese startet im Nukleolus, einem Subkompartiment des Zellkerns, aber die letzten Schritte der Reifung finden im Zytoplasma statt. Während des gesamten Reifungsvorgangs werden die einzelnen Komponenten nach einem genauen Schema assembliert und die RNA Elemente in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten enzymatisch prozessiert. Da die Ribosomenbiogenese eng mit Zellwachstum und teilung gekoppelt sein muss, unterliegt sie einer strengen aber dynamischen Regulierung. Nur wenn das gesamte Netzwerk aller 200 Reifungsfaktoren zeitlich und räumlich perfekt zusammenspielt, können am Ende funktionierende Ribosomen entstehen. Jede Störung des Vorgangs kann sich auf die gesamte Reifungskaskade auswirken. In den letzten Jahrzehnten wurden durch die Kombination biochemischer, genetischer und Strukturbiologischer Methodenzahlreiche Schritte der Ribosomenbiogenese auf eindrucksvolle Weise dargestellt. Es fehlen jedoch noch Ansätze, die es erlauben die volle Dynamik dieses Prozesses einzufangen, um ihn mit all seinen Schritten und Vernetzungen zu verstehen. Um diese Lücke zu schließen haben wir Strategien entworfen, die es uns erlauben den Reifungsvorgang durch chemische Inhibierung zu unterbrechen. Dadurch sind wir in der Lage, die einzelnen Schritte mit bislang unerreichter zeitlicher Präzision aufzulösen. Wir werden sowohl Bindung als auch Ablösung einzelner Faktoren von reifenden Ribosomen mitverfolgen können, werden funktionelle Beziehungen dieser Faktoren beschreiben und dadurch auch bislang unbestimmten Faktoren ihre Funktion zuordnen können. Unser Ziel ist eine vollständige Abbildung der Ribosomenbiogenese mitsamt ihrem dynamischen und eng verwobenen Netzwerk aller beteiligter Faktoren. Nicht zuletzt ist die Ribosomenbiogenese eine essentielle Determinante bei der beschleunigten Teilung von Krebszellen, da diese mit hoher Geschwindigkeit Ribosomen produzieren müssen. Einige bereits verwendete Chemotherapeutika greifen direkt oder indirekt in die Regulation der Ribosomenbiogenese ein auch wenn die exakten Mechanismen meist ungeklärt sind. Deshalb ist ein detailliertes Verständnis der Regulation der Ribosomenbiogenese wichtig um neue Strategien in der Chemotherapie zu finden.

Ribosomen sind jene Organellen in der Zelle die die Translation der genetischen Information in die Aminosäuresequenz von Proteinen durchführen. Die Bildung der Ribosomen in Eukaryontischen Organismen stellt eine der Hauptsyntheseleistungen jeder Zelle dar und ist koordiniert mit dem Zellzyklus und Energiestoffwechsel. Die fortlaufende Bildung von Ribosomen ist dabei besonders wichtig für sich rasch teilende Zellen. Die Inhibierung der Ribosomenbiogenese wird deshalb als vielversprechende Möglichkeit zur Hemmung rasch proliferierender Zellen, wie Tumorzellen gesehen und hat deshalb signifikante medizinische Bedeutung. Zusätzlich können Inhibitoren der Ribosomenbiogenese wichtige Hilfsmittel sein, um den exakten Ablauf der Bildung von Ribosomen besser untersuchen zu können. Im Zuge dieses Projektes haben wir versucht die dynamische Abfolge der Ribosomenbiogenese und wie deren einzelne Schritte miteinander koordiniert sind besser zu verstehen. Dazu nutzten wir das Potential von mehreren neuen, von uns identifizierten Inhibitoren der Ribosomenbiogenese, die es uns erlauben den Prozess extrem rasch zu hemmen. Damit konnten wir erstmals primäre Effekte der Hemmung der Ribosomenbiogenese von sekundären und tertiären Effekten trennen und damit den extrem dynamischen Prozess mit bisher ungekannter zeitlicher Auflösung verfolgen. Dies ermöglichte uns neue Einblicke in den genauen Ablauf der einzelnen Schritte des Prozesses zu gewinnen, und besser zu verstehen wie diese in der Zelle koordiniert werden. Diese Untersuchungen wurden durch Konzentrationsbestimmungen von wichtigen Assemblierungsfaktoren und deren Verteilung innerhalb der Zelle ergänzt, die erstmals ein quantitatives Verständnis der wichtigsten Reifungsschritte ermöglichen.