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Experimente zur Proteinkristallisation

Kristallisation regulatorischer RNA-Moleküle



Aufgrund der fehlenden Sedimentation und Konvektion führen Kristallisationsexperimente in Schwerelosigkeit oft zu regelmäßigeren Strukturen im Kristall und ermöglichen dadurch Fortschritte in der Strukturaufklärung gerade bei großen Molekülen wie Proteine und Nucleinsäuren. Diesen Vorteil wollen sich Wissenschaftler der Freien Universität Berlin zunutze machen.

Eine der größten Herausforderungen der Lebenswissenschaften nach der Sequenzierung des menschlichen Genoms ist die Aufklärung der Struktur und Funktion des Transkriptoms. Dabei wurde in den letzten Jahren festgestellt, dass nur ein Bruchteil der genetischen Information letztlich in Proteine übersetzt wird. Bei Pilzen kodieren 60 bis 80 Prozent des Genoms für Proteine, dieser Anteil nimmt mit steigender Komplexität des Organismus soweit ab, dass bei höheren Säugetieren, einschließlich des Menschen, nur noch zwei Prozent des im Zellkern vorliegenden Genoms in Proteine translatiert werden.

Kristallbild der HAR1F-Domäne des Schimpansen. Der Kristall ist deutlich erkennbar und hat auch eine zur Analyse ausreichende Größe, jedoch ist die Qualität des auf der Erde gewachsenen Kristalls noch unbefriedigend. Bild: Erdmann.
Sofort drängt sich die Frage nach der Funktion der übrigen 98 Prozent auf. Zunächst stößt man auf Ribonukleinsäuren (RNA), die zur korrekten Umsetzung des genetischen Codes notwendig sind, wie zum Beispiel ribosomale RNA (rRNA), Transfer-RNA (tRNA). Den bei weitem größten Teil dieser RNA-Transkripte stellen aber solche mit bisher unbekannter Funktion. Es gibt jedoch Hinweise, dass die meisten davon regulatorische Aufgaben übernehmen. Mittlerweile konnten auch einige dieser nichtkodierenden RNAs (ncRNAs) als Ursache menschlicher Erkrankungen ausgemacht werden, was ihre Rolle als Regulatoren bei der Kontrolle der Genexpression unterstreicht.

Mit dem Forschungs-Projekt auf der Internationalen Raumstation ISS wollen die Berliner Wissenschaftler dieses hochaktuelles Thema bearbeiten mit dem spezifischen Ziel, die Struktur einer bestimmten ncRNA - HAR1F genannt - aufzuklären. Von dieser ncRNA, die während der frühen Embryonalentwicklung spezifisch im Neokortex exprimiert wird, dem Teil des Gehirns, der beim Menschen im Vergleich zu anderen Säugetieren stark vergrößert und unter anderem für die spezifisch menschlichen geistigen Fähigkeiten verantwortlich ist, wollen sie die atomare Struktur bestimmen. Darüber hinaus soll auch im Vergleich die atomare Struktur der korrespondierenden ncRNA aus dem Schimpansen bestimmt werden.

Die HAR1-Region ist in höheren Wirbeltieren konserviert und zeigte während der 310 Millionen Jahre dauernden Evolution vom Huhn zum Schimpansen zwei Basenaustausche. Dahingegen sind seit der Trennung des Menschen vom Schimpansen im vergleichsweise kurzen Zeitraum von einer Million Jahren 18 Substitutionen nachweisbar, was einer fast 3.000fach beschleunigten Evolution entspricht. Die rasante Entwicklung dieser an der Entwicklung des Gehirns beteiligten regulatorischen RNA macht diese zu einem starken Kandidaten, ein Teil der Antwort auf die Frage zu sein, was den Unterschied zwischen Mensch und Affe ausmacht. Genau diesen Unterschied wollen die Forscher im Rahmen des ISS-Experiments untersuchen. Hierzu werden Domänen der beiden ncRNAs kristallisiert, um dann die dreidimensionale Struktur mit hochauflösender Röntgenstrukturanalyse aufzuklären und die räumliche Struktur beider Moleküle miteinander zu vergleichen.

In Fortsetzung früherer ISS-Experimente wollen die Wissenschaftler zusätzlich bestimmte tRNA-Moleküle so perfekt kristallisieren, dass auch bestimmte Liganden wie Ionen oder Wasser beobachtet werden können. In diesem Zusammenhang ist besonders eindrucksvoll, dass die Forscher mit Experimenten auf der ISS erstmalig ein RNA-Racemat nicht nur kristallisieren, sondern auch die Struktur bei höchster Auflösung (1,3 Å) lösen konnten. Diese von den Berliner Wissenschaftlern benannten Spiegelmerstrukturen zeigten im Vergleich der D- und L-Form der RNA-Moleküle in einer Position eine unterschiedliche Wechselwirkung mit dem Wasser. Diese Beobachtung konnte von ihnen in jüngster Zeit durch hochauflösende RAMAN-spektroskopische Untersuchungen bestätigt werden. Diese Untersuchungen beinhalten unter Umständen das Geheimnis, warum bei der molekularen Evolution die D-Form der Nukleinsäuren der Vorzug gegeben wurde.

Crystallization of RNA molecules:

Forschungsgebiet: Proteinkristallzüchtung
Zeitraum: Oktober 2008
Einsatzbereich: US Labor
Partner: NASA
Status: abgeschlossenes Experiment
Ansprechpartner: Prof. Dr. Volker Erdmann, Freie Universität Berlin


Zuletzt geändert am: 20.02.2009 15:58:02 Uhr
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