Aktuelles: Und sie bewegen sich doch 

Forschende des Regensburg Center for Biochemistry (RCB (externer Link, ?ffnet neues Fenster)) und des Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN (externer Link, ?ffnet neues Fenster)) der Universit?t Regensburg (UR) erlangen einzigartige Einblicke in die Struktur, Dynamik und Funktion von beweglichen Bauteilen des Exosoms, einer RNA-abbauenden molekularen Maschine der Zelle. Die Ergebnisse liefern nicht nur biologische Informationen zum RNA-Abbau, sondern sind auch ein methodischer Meilenstein in der Strukturaufkl?rung von Biomolekülen. Die Arbeit zeigt, dass das Zusammenspiel experimenteller und computergestützter biophysikalischer Methoden die Untersuchung der Bewegungen gro?er molekularer Maschinen erlaubt. Solche Untersuchungen waren bisher nicht m?glich. Das interdisziplin?re Team um Dr. Jobst Liebau, Dr. Daniela Lazzaretti, Prof. Dr. Till Rudack und Prof. Dr. Remco Sprangers berichtet über ihre Ergebnisse in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications.

Gemeinsam stark: Proteine arbeiten zusammen 

Proteine sind die Allesk?nner in den Zellen jedes Lebewesens und die Grundlage jeglichen Lebens. H?ufig formen mehrere Proteine gr??ere Komplexe, die als molekulare Maschinen vielf?ltige lebenswichtige Aufgaben durchführen. Zum Beispiel bauen diese Komplexe lebensnotwendige Moleküle zusammen und zerlegen sie wieder, wenn sie nicht l?nger ben?tigt werden. Andere Komplexe transportieren oder sortieren Biomoleküle, oder sie senden Nachrichten und empfangen sie. Um zu verstehen, wie diese Proteinkomplexe ihre Funktionen erledigen, muss man verstehen, wie sie aussehen. In den letzten Jahrzehnten haben Forschende die dreidimensionale (3D) Struktur einer Vielzahl von Proteinen aufgekl?rt. Die Universit?t Regensburg verfügt über ein eigenes hochaufl?sendes Kryo-Elektronenmikroskop, das für diese Zwecke eingesetzt wird. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网es Mikroskop wurde in der aktuellen Studie verwendet, um die statische Struktur einer molekularen Maschine aufzukl?ren.

Gemeinsam stark: NMR und MD-Simulationen 

“百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e 3D Strukturen sind sehr wichtig, genügen aber nicht”, sagt Remco Sprangers, Professor für Biophysik an der Universit?t Regensburg. “Um die Funktion von Proteinen wirklich verstehen zu k?nnen, müssen wir verstehen, wie sie sich bewegen und wie sich ihre Struktur ver?ndert, wenn sie arbeiten. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网 ist eine Aufgabe, die noch anspruchsvoller als die Aufkl?rung der starren Struktur ist.” Sprangers Forschung hat genau dies zum Ziel. Mittels der sogenannten Kernspinresonanz-Spektroskopie (?Nuclear Magnetic Resonance“, NMR), erforscht seine Arbeitsgruppe, wie Proteine ihre Struktur ver?ndern, um ihre Funktion ausüben zu k?nnen. Doch wie werden diese Ver?nderungen veranschaulicht? In der Regel sind die Daten der NMR sehr abstrakt. Mittels Molekulardynamik-(MD)Simulationen lassen sich anschauliche dynamische Strukturmodelle berechnen, die zeigen, wie genau die Ver?nderungen aussehen. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e Modelle ben?tigen allerdings experimentelle ?berprüfung. ?Die Kombination aus NMR und MD funktioniert gemeinsam ?hnlich wie ein Mikroskop mit sehr hoher r?umlicher und zeitlicher Aufl?sung und liefert eine Art Film vom atomaren Zusammenspiel der Proteine“, erl?utert Till Rudack, Professor für Strukturelle Bioinformatik der Universit?t Regensburg.

Herausforderung: gro?e molekulare Maschinen

Meistens funktionierte die NMR-Methode allerdings nur für kleine Proteine. ?Bei gr??eren Proteinkomplexen st??t NMR oft an ihre Grenzen. Jetzt ist uns ein Durchbruch gelungen, der es erm?glicht, auch die Giganten der mikroskopischen Welt der Proteine zu untersuchen, wie zum Beispiel den RNA-Exosom-Komplex, der entscheidend am RNA-Abbau beteiligt ist“, erkl?rt Jobst Liebau, Postdoc in der Sprangers Gruppe und Erstautor der Studie. ?Zus?tzlich konnten wir jetzt Bereiche des Exosom-Komplexes untersuchen, die bisher für alle anderen Methoden unsichtbar geblieben waren“, erg?nzt Daniela Lazzaretti, ebenfalls Postdoc in der Sprangers Gruppe.

Dynamische Einblicke in RNA-Abbauprozess

Das RNA-Exosom besteht aus zehn unterschiedlichen Proteinen und baut RNA ab. Eine unerl?ssliche Aufgabe in jeder Zelle. ?Dass wir die Bewegungen von bisher unsichtbaren Regionen messen k?nnen, erlaubt uns, die kurzlebigen Interaktionen zwischen RNA und dem Exosom zu analysieren,“ erl?utert Jobst Liebau. Manche Bereiche des Proteins bewegen sich extrem schnell. Sie führen eine Bewegung mehrere Milliarden mal pro Sekunde aus. Andere meist gr??ere Regionen bewegen sich langsamer: ?nur“ 30-mal pro Sekunde. Gerade diese langsamen Bewegungen scheinen h?ufig von zentraler Bedeutung für die Funktion von Proteinkomplexen zu sein. Zum Beispiel konnten die Forschenden einen Bereich im RNA-Exosom identifizieren, der sich in etwa genauso schnell bewegt, wie das Exosom RNA abbaut. Einen direkten Zusammenhang k?nnen die Forschenden bisher nicht belegen, aber klar ist, dass es ohne Bewegungen keinen RNA-Abbau geben würde.

Von starren zu beweglichen Bildern

Die Studie liefert also mehr als ein stillstehendes Bild. Sie liefert eine Art Film, der Einblicke in die dynamischen Prozesse des RNA-Abbaus durch den Exosom-Komplex liefert. ?Leben ist Bewegung“, erl?utert Till Rudack, ?und das Zusammenspiel von NMR und MD-Simulationen erm?glicht tiefe Einblicke in die dynamische Welt der Proteine.“ ?Die Verbindung verschiedener biophysikalischer Methoden zur Aufkl?rung von Strukturdynamik ist wegweisend für die zukünftige Forschung. Wir fangen gerade erst an zu verstehen, welche Rolle Dynamik für die Funktion von Proteinen spielt“, erg?nzt Remco Sprangers. Mit ihrer Studie haben die Forschenden einen Grundstein gelegt, die bisher statischen Bilder des Mikrokosmos der Zelle in sich bewegende Filme zu verwandeln.

Originalver?ffentlichung
doi.org/10.1038/s41467-025-62982-6 (externer Link, ?ffnet neues Fenster)