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Start der Gen-Kopiermaschine

Forschung am MPI Start der Gen-Kopiermaschine

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut (MPI) für biophysikalische Chemie in Göttingen haben einen Meilenstein bei der Erforschung der Transkription erreicht: Sie konnten in der molekularen Kopiermaschine, der RNA Polymerase II, die dreidimensionale Struktur des Transkriptionsstarts bestimmen.

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Die atomare Struktur des PIC. Die RNA-Polymerase II ist oben rechts in grau, der Transkriptionsfaktor TFIIH links in rosa zu sehen.

Quelle: r

Göttingen. Die RNA-Polymerase II erledigt als molekulare „Kopiermaschine“ den ersten Schritt auf dem Weg vom Gen zum Protein: Sie erstellt eine Abschrift der auf der DNA gespeicherten genetischen Bauanleitung, die Boten-RNA (mRNA, von englisch: messenger-RNA). Diesen Kopiervorgang nennt man Transkription.

Die MPI-Wissenschaftler um Prof. Patrick Cramer konnten die dreidimensionale Struktur der Pol II zusammen mit allen weiteren wichtigen Faktoren des Transkriptionsstarts – den sogenannten Prä-Initiationskomplex (PIC) mit 46 Proteinen – in atomarem Detail aufklären, teilte das MPI mit. Demnach bieten die Erkenntnisse der Forscher neue Einblicke, wie der Kopiervorgang startet und wie die Zelle die DNA-Doppelhelix für die Genabschrift öffnet.

Patrick Cramer

Patrick Cramer

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Ihren Erfolg verdanken die Max-Planck-Forscher sowohl ihrem Durchhaltevermögen – das Projekt läuft bereits seit 15 Jahren – als auch den jüngsten Fortschritten in der Kryo-Elektronenmikroskopie. „Mit dieser Technik lassen sich heute sehr große zelluläre Strukturen in ihrem atomaren Aufbau sichtbar machen“, erklärt Cramer, „allerdings meist nur, wenn es gelingt, diese Strukturen im Reagenzglas nachzubauen. “ So konnten die Wissenschaftler die dreidimensionale Struktur eines wichtigen Bestandteils des PIC rekonstruieren, den Transkriptionsfaktor TFIIH. Dieser besteht selbst aus zehn Proteinen und hatte sich bislang als besonders harte Nuss für Strukturbiologen erwiesen, da sich der Komplex nicht nachbauen ließ. „Nach jahrelangen Optimierungen ist es uns schließlich gelungen, TFIIH gentechnisch herzustellen“, schildert Sandra Schilbach, Wissenschaftlerin im Team von Cramer und Erstautorin der in Nature erschienenen Arbeit.

Die Struktur von TFIIH beantwortet eine für die Forschung entscheidende Frage: Wie öffnet die Zelle die DNA, damit Pol II an die genetische Information herankommt? „Die Transkription lässt sich mit der Kopie aus einem Buch vergleichen“, erläutert Schilbach. „Ein Buch muss man zunächst aufschlagen, um eine Seite kopieren zu können. So ist es auch bei den Genen.“ Allerdings liegen die Gene auf der DNA nicht gestapelt vor wie die Seiten eines Buches. Stattdessen sind die beiden DNA-Stränge zu einer Doppelhelix gewunden. Man habe lange gerätselt, wie die DNA-Doppelhelix geöffnet werde, damit die Polymerase einen DNA-Strang kopieren kann, so Cramer. „Dank der neuen Struktur haben wir endlich eine genauere Vorstellung davon. Ein Motor-Protein in TFIIH nutzt Energie, um eine Spannung in der DNA zu erzeugen. Diese Spannung führt dazu, dass sich die eigentlich sehr stabile Doppelhelix öffnet.“

Sandra Schilbach

Sandra Schilbach

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Für Cramer war die Aufklärung der PIC-Struktur immer das Ziel, seit es ihm im Jahr 2000 als jungem Wissenschaftler an der US-amerikanischen Stanford University gelungen war, die erste räumliche Struktur der Pol II zu ermitteln. „Das war damals ein großer Erfolg: Wir konnten erstmals detailliert verstehen, wie diese Nanomaschine arbeitet. Doch das erklärte noch nicht, wie die Zelle die Transkription steuert.“

Die neue Struktur beantworte nun viele der seither offenen Fragen. „Allerdings gibt es insbesondere bei der Regulation des Starts weiter ungeklärte Details“, so Cramer. Die möchte der Direktor der MPI-Abteilung Molekularbiologie sich mit seinen Mitarbeitern vornehmen. Die Wissenschaftler wollen in den nächsten Jahren unter anderem aufklären, wie die Transkription durch Wachstumssignale reguliert wird.

Von Angela Brünjes

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