Fakultät für Chemie und Pharmazie

Genregulation - Struktur von DNA-Organisator aufgeklärt

Die Verpackung von Genen beeinflusst deren Aktivität und erfordert deshalb präzise Organisation. Durch eine neuartige Kombination verschiedener Methoden konnte nun erstmals die Struktur einer großen DNA-Ver- und Entpackungsmaschine aufgeklärt werden. Das Erbmolekül DNA liegt im Zellkern höherer Organismen als eng verpackter DNA-Protein-Komplex vor, der als Chromatin bezeichnet wird. Dazu wird die DNA um einen Kern aus Histon-Proteinen zu sogenannten Nukleosomen gewickelt und durch spezielle Proteine dicht gepackt. Sogenannte Chromatin-Remodeller organisieren diese Verpackung und sorgen dafür, dass benötigte DNA-Abschnitte zugänglich bleiben, indem sie das Verschieben von Nukleosomen und den Austausch von Histonen katalysieren. Diese Prozesse sind essentiell für alle zellulären Mechanismen, da Nukleosomen sowohl DNA blockieren als auch DNA-assoziierte Prozesse regulieren.

 

„Über Struktur und Funktionsweise der Remodeller ist bisher nur wenig bekannt, da diese Moleküle sowohl sehr groß und komplex als auch sehr flexibel sind, was die Untersuchung mit strukturbiologischen Methoden sehr erschwert“, sagt Professor Karl-Peter Hopfner vom Genzentrum der LMU, der mit seiner Arbeitsgruppe bereits die Struktur einiger vergleichsweise kleiner und einfacher Remodeller aufklären konnte. Nun gelang Hopfner und seinem Kollegen Professor Roland Beckmann (Genzentrum und Department für Biochemie) ein Durchbruch bei der strukturbiologischen Analyse dieser Chromatin-assoziierten molekularen Maschinen: Mit einer neuartigen Kombination aus strukturbiologischen und biochemischen Methoden konnten die Forscher erstmals die Architektur eines großen Chromatinremodellers enthüllen.

Das Team um Hopfner und Beckmann analysierte den großen Remodeller INO80 – und schon erste elektronenmikroskopische Aufnahmen von INO80 zeigten, dass sich dieser Remodeller von den bisher analysierten kleineren Modellen deutlich unterscheidet: INO80 ist ein länglicher Komplex, der sich embryoähnlich krümmen kann und zur Überraschung der Wissenschaftler keine Vertiefung für das Nukleosom besitzt, wie sie für andere Remodeller postuliert sind. „Allerdings ist die Auflösung der 3D Rekonstruktionen aus den elektronenmikroskopischen Daten nicht gut genug, um die einzelnen Proteinuntereinheiten von INO80 darzustellen“ erklärt Caroline Haas, eine der Erstautoren der Studie.

„Um die Struktur weiter aufzuklären haben wir daher zusätzlich eine neue Methode angewandt, die unter anderem im Labor von Professor Ruedi Aebersold an der ETH Zürich entwickelt und von Franz Herzog am Genzentrum der LMU etabliert wurde“, sagt Hopfner. Dabei werden die Proteinuntereinheiten des Remodellers mit einem chemischen Quervernetzer (Crosslinker) vernetzt und so stabilisiert. Anschließend bestimmten die Wissenschaftler die Quervernetzungsstellen massenspektrometrisch und erhielten so eine Karte der „Protein-Protein Interaktionen“ im Remodeller-Komplex. „Mit dieser Methode kann man bis zu einem gewissen Grad feststellen, an welcher Stelle des Komplexes welche Proteine sitzen“, so Alessandro Tosi und Franz Herzog, zwei der Erstautoren der Studie.

Die Kombination aus Elektronenmikroskopie und Massenspektrometrie erlaubte den Wissenschaftlern auch Einblicke in die Interaktion des Remodellers mit seinem Nukleosom Substrat. Mithilfe der neuen Methode konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass vermutlich der ganze Komplex beteiligt ist, wenn ein Nukleosom gebunden wird: Das Nukleosom wird dabei von der embryoähnlichen Krümmung umfangen, wobei der „Fuß“ des Komplexes zurückgebogen wird. „Mit unserer Struktur haben wir den Grundstein gelegt, um die molekularen Mechanismen aufzuklären, wie INO80 Histonvarianten in Nukleosomen austauscht – dies ist ein wichtiger Schritt, um diese großen und flexiblen molekularen Maschinen in Zukunft besser zu verstehen und mechanistisch untersuchen zu können“, schließt Hopfner.

Die Arbeiten wurden von der DFG im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 646, des Graduiertenkollegs (GRK)1721, sowie des SFB/Transregio 5 gefördert und durch das Forschungsnetzwerk für Molekulare Biosysteme (BioSysNet) und den Exzellenzcluster „Center for Integrated Protein Science Munich“ (CIPSM) unterstützt.

Publikation: Structure and subunit topology of the INO80 chromatin remodeler and its interaction with the nucleosome, Alessandro Tosi, Caroline Haas, Franz Herzog, Andrea Gilmozzi, Otto Berninghausen, Charlotte Ungewickell, Christian B. Gerhold, Kristina Lakomek, Ruedi Aebersold, Roland Beckmann and Karl-Peter Hopfner, Cell 2013