Intranuclear trafficking and export of single, native mRNA molecules analyzed by highresolution light sheet microscopy

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Kubitscheck
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 128183455

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass das Projekt äußerst erfolgreich gelaufen ist. Wie geplant ist es gelungen, lichtmikroskopisch den Export einzelner nativer mRNA-Protein-Partikel in vivo in Echtzeit zu filmen und diesen Exportprozess im Detail quantitativ zu analysieren. Wir konnten zeigen, dass der Export der mRNA zwischen 60 ms bis hin zu 6 Sekunden benötigt. Vermutlich ist für die Dauer des Prozesses die Größe der exportierten RNA entscheidend. Wir konnten einen ratenbegrenzenden Schritt identifizieren, der vermutlich mit einer Qualitätskontrolle oder einem Reorientierungsprozess am nukleären Eingang der Transportpore zusammenhängt. Insgesamt gesehen jedoch ist die Dauer des Exportprozesses vernachlässigbar im Vergleich zur Dauer der Produktion der mRNA (im Minutenbereich) und auch der nachfolgenden Produktion von Proteinen entsprechend der RNA-Sequenz (auch im Minutenbereich). Darüber hinaus fanden unsere Ergebnisse zum RNA-Export – einer der fundamentalen Transportprozesse in lebenden Zellen – ein reges Medieninteresse: Die Universität hat zu diesem Forschungsergebnis eine Pressemitteilung herausgegeben. In der Sendung „Forschung Aktuell" des Deutschlandfunks vom 30. Mai 2012 wurde in einem Beitrag mit dem Titel „Kino des Lebens“ zu diesem Thema berichtet. Z.B. berichtete auch das Darmstädter Echo im Wissenschaftsteil über unsere Arbeit unter dem Titel „Erbgutkopie reist im Proteinkoffer“ am 29.5.2012. Dr. Roman Veith, der zentrale Beiträge zu diesem Projekt geliefert hat, wurde für seine Dissertationsschrift von der Universitätsgesellschaft Bonn - Freunde, Förderer, Alumni e.V. – mit dem Dr. Edmund ter-Meer-Preis 2012 ausgezeichnet. Im Anschluss an diese grundlegenden Ergebnisse wurden die entwickelte Methodik und das biologische System weiter eingesetzt, um z.B. die Regulation der Transkription zu untersuchen. Auch dieses Thema konnte sehr erfolgreich abgeschlossen werden, diese Arbeiten haben einen wichtigen Hinweis auf einen völlig neuen und vermutlich weit verbreiteten Regulationsmechanismus der Transkription während der stabilen Elongationsphase gegeben. In einer Kooperation mit Prof.Dr. Alexander Heckel von der Goethe-Universität Frankfurt haben wir das C.tentans-System genutzt, um eine Generation von photoaktivierbaren molecular beacons zu testen. Diese sollen in der Zukunft dazu eingesetzt werden, die Trajektorien einzelner mRNA-Moleküle vom Transkriptionsort bis zu den Ribosomen zu verfolgen. Diese Arbeiten wurden begonnen, konnten jedoch während der Laufzeit des Projektes nicht vollständig abgeschlossen werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 2010. A cylindrical zoom lens unit for adjustable optical sectioning in light sheet microscopy. Biomed. Opt. Expr. 2 (1), 185-193
  Ritter, J.G., J.-H. Spille, T. Kaminski, and U. Kubitscheck
  
• 2010. Balbiani Ring mRNPs diffuse through and bind to clusters of large intranuclear molecular structures. Biophys. J. 99: 2676-2685
  Veith, R., T. Sorkalla, E. Baumgart, J. Anzt, H. Häberlein, S. Tyagi, J. P. Siebrasse, and U. Kubitscheck
  
• 2010. Light sheet microscopy for single molecule tracking in living tissue, PLoS ONE 5, e11639
  Ritter, J.G., J. P. Siebrasse, R. Veith, A. Veenendaal, and U. Kubitscheck
  
• 2012. Dynamic Three-Dimensional Tracking of Single Fluorescent Nanoparticles Deep Inside Living Tissue, Opt. Expr. 20: 19697-19707
  Spille, J.-H., T. Kaminski, Königshoven, H.-P., and U. Kubitscheck
  
• 2012. Nuclear export of single native mRNA molecules observed by light sheet fluorescence microscopy. Proc Natl Acad Sci USA 109: 9426-31
  Siebrasse, J.P., T. Kaminski and U. Kubitscheck
  
• 2013. A single molecule view on Dbp5 and mRNA at the nuclear pore. Nucleus 4: 8-13
  Kaminski T, Siebrasse JP, Kubitscheck U
  
• 2013. Light- Inducible Molecular Beacons for Spatio-Temporally Highly Defined Activation. Chem. Comm. 49: 5375-5377
  Rinne, J., T. Kaminski, U. Kubitscheck, and A. Heckel
  
• 2014. Transcription regulation during stable elongation by a reversible halt of RNA polymerase II. Mol Biol Cell. 25: 2190-8
  Kaminski, T.P., J.P. Siebrasse and U. Kubitscheck