Aktuelles: Origami im Mikrokosmos: Wie man Gene in die Zange nimmt

Für Biolog:innen z?hlt zu den wichtigsten Fragen, wie Gene in menschlichen Zellen mit hoher Pr?zision entschlüsselt werden. Ma?geblich beteiligt sind hier winzige molekulare Maschinen, sogenannte RNA Polymerasen, die unsere Gene in RNA-Moleküle übersetzen. Die RNA wird anschlie?end genutzt, um lebensnotwendige Enzyme zu erzeugen. Der ?bersetzungsprozess der RNA Polymerasen wird Transkription genannt. Je nach Gentyp wird die ?bersetzung der DNA durch RNA Polymerasen des Typs I, II oder III durchgeführt. Für die Zelle ergibt sich damit eine gro?e Herausforderung: Wie erkennt die jeweilige RNA Polymerase, welche der ca. 25.000 Gene sie ablesen soll? 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网es Problem wird von Transkriptionsfaktoren gel?st, die den Startpunkt einer Subklasse von Genen erkennen und die RNA Polymerase genau zu diesem Startpunkt lotsen. Zudem ist die DNA in der Zelle unter Spannung, da sie nicht als linearer Faden in unseren Zellkernen vorliegt, sondern wie die Angelschnur bei einer Angel aufgewickelt ist. Das führt zu mechanischer Spannung in der DNA. Wie Transkriptionsfaktoren auf diese winzigen Krafteinwirkungen reagieren, konnte bisher jedoch nicht quantifiziert werden, da eine passende Methode fehlte.

Biolog:innen der Universit?t Regensburg um Prof. Dr. Dina Grohmann haben zusammen mit Wissenschaftler:innen der LMU München eine Methode entwickelt, mit deren Hilfe man gezielt konstante Kr?fte auf ein einzelnes, nur wenige Nanometer gro?es DNA-Molekül ausüben und gleichzeitig dessen Reaktion auf die angelegte Kraft beobachten kann. Die Regensburger Forscher:innen, die auch dem SFB 960 angeh?ren, bastelten mithilfe der DNA-Origami-Technik zun?chst aus vielen künstlichen DNA-Str?ngen gezielt nanometergro?e, molekulare Klammern, die so konstruiert sind, dass sie selbst?ndig Kr?fte ausüben k?nnen. In den so designten DNA-Klammern spannten sie in der Mitte eine Sequenz ein, die den Genstart simuliert, an den wiederum die zu untersuchenden Transkriptionsfaktoren binden. Kraft k?nnen sie ausüben, indem sie den in der Klammer befestigten Einzelstrang gezielt um einzelne Basen verkürzen. ?Das ist, als würde man eine Feder leicht spannen“, erkl?rt Dina Grohmann. Damit lassen sich gezielt unvorstellbar kleine Kr?fte zwischen 0 und 15 Pico-Newton ausüben, das sind Billionstel Newton. So konnte die Situation in der Zelle nachgestellt und überprüft werden, ob die Initiationsfaktoren ihre Aufgabe noch richtig ausführen k?nnen, wenn kleinste Kr?fte im Inneren einer Zelle an der DNA zerren. Gepaart mit einer hochsensitiven fluoreszenzbasierten Messmethode, dem sogenannten F?rster-Resonanzenergietransfer (FRET), kann wie mit einem Nanometerlineal bei hunderten von einzelnen Molekülen nachgemessen werden, ob die Initiationsfaktoren durch ihre Bindung an die DNA, kleinste Krümmungen in der DNA hervorrufen. ?Interessant ist, dass nicht alle Moleküle auf die Spannung in der DNA gleich reagieren“, sagt Kevin Kramm, der als Doktorand die Messungen durchgeführt hat.

In Zusammenarbeit mit Forscher:innen des Institutes of Cancer Research (London) und der Universit?t Bristol demonstrierte das Team um Prof. Grohmann nun, dass die spezialisierten RNA Polymerasen der Klasse III den zus?tzlichen Transkriptionsinitiationsfaktor Bdp1 ben?tigen, um sicherzustellen, dass der Genstartpunkt selbst bei hohen Spannungen in der DNA zuverl?ssig und pr?zise erkannt wird. Wie mit einem Sicherungsring umschlie?en die Initiationsfaktoren nur in Anwesenheit von Bdp1 den DNA-Doppelstrang und stellen sicher, dass die RNA Polymerase dringend ben?tigte kurze RNAs in hoher Kopienzahl in der Zelle erzeugt. ?Mit unseren Daten k?nnen wir nun endlich erkl?ren, warum die Evolution sich diesen Faktor, den die anderen RNA Polymerase Typen nicht ben?tigen, ?ausgedacht‘ hat“, so Grohmann abschlie?end.

Originalpublikation:
Kevin Kramm, Tim Schr?der, Jerome Gouge, Andrés Manuel Vera, Kapil Gupta, Florian B. Heiss, Tim Liedl, Christoph Engel, Imre Berger, Alessandro Vannini, Philip Tinnefeld and Dina Grohmann “DNA origami-based single-molecule force spectroscopy elucidates RNA Polymerase III pre-initiation complex stability“, Nature Communications (2020)
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-020-16702-x (externer Link, ?ffnet neues Fenster)