Funktion und Struktur des RNA-degradierenden Exosoms im hyperthermophilen Archaeon Sulfolobus solfataricus

• Antragstellerin: Professorin Dr. Gabriele Klug
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 211453750

Prozessierung und Degradation von RNA sind in allen Lebewesen essentielle Vorgänge. In Eukaryonten und Archaea spielt dabei der Exosom Multiprotein-Komplex eine Schlüsselrolle. Das essentielle eukaryontische Exosom wird durch die Synthese kurzer poly(A) Schwänze an das 3´ Ende der abzubauenden Substrate aktiviert. Wir untersuchen das achaeale Exosom, das RNA phosphorolytisch degradiert und auch A-reiche Schwänze aus rNTPs synthetisiert. Sein konservierter Kern besteht aus einem katalytisch aktiven Hexamer aus den Proteinen Rrp41 und Rrp42, dem ein trimeres "cap" aus den RNA-bindenden Proteinen Rrp4 und Csl4 aufgelagert ist. Es beinhaltet zusätzlich eine Archaea-spezifische Untereinheit, die als bakterielle Primase, DnaG, annotiert ist. Wir haben das RNA-bindende "cap" des Exosoms des hyperthermophilen Sulfolobus solfataricus analysiert und konnten zeigen, dass i) heteromere caps aus Rrp4 und Csl4 in vivo existieren, ii) Rrp4, nicht aber Csl4 eine poly(A) Präferenz vermittelt, iii) DnaG über Csl4 mit dem Exosom interagiert, iv) DnaG eine neue RNA-Binde Domäne enthält, poly(A) Präferenz zeigt und zusammen mit Rrp4 die Interaktion mit A-reicher RNA fördert, v) DnaG die Synthese A-reicher Schwänze an rRNA durch das Exosom ermöglicht und vi) A-reiche Schwänze die Degradation von rRNA durch das Exosom fördern. Unsere Daten zeigen, dass das selektive Binden A-reicher RNAs durch das Exosom ein wichtiger Vorgang in S. solfataricus ist und sprechen dafür, dass DnaG eine Rolle bei der Qualitätskontrolle stabiler RNA durch das Exosom und in der Anpassung an Umweltänderungen spielt. Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass das RNA-Bindeprotein Nop5 über Rrp4 mit dem Exosom interagiert. Die räumliche Struktur der DnaG- oder Nop-enthaltenden Exosome ist nicht bekannt.Wir beabsichtigen, die molekulare Basis für die poly(A) Präferenz des Exosoms in Archaea und Eukarya aufzuklären. Außerdem sollen Genom-weit bevorzugte Substrate des archaelaen Exosoms identifiziert werden. Ein weiteres Ziel ist, die Interaktion zwischen DnaG und rRNA zu untersuchen, um RNA Determinanten zu identifizieren, die für eine erfolgreiche Verlängerung der rRNA durch das DnaG-enthaltene Exosom notwendig sind. Um die Rolle von DnaG in vivo zu untersuchen, beabsichtigen wir, Mutanten in Sulfolobus zu generieren und deren RNA Metabolismus zu untersuchen. Die räumliche Struktur der DnaG und Nop5 enthaltenden Exosom-Komplexe soll mittels SPEM analysiert werden.Unsere Ergebnisse sollen die molekularen Mechanismen für die poly(A) Präferenz im Zuge der selektiven RNA Degradation aufklären, die wahrscheinlich in allen Domänen des Lebens konserviert sind. Sie werden auch zur Aufklärung der Mechanismen der Qualitätskontrolle stabiler RNA und der posttranskriptionalen Genregulation in Archaea, sowie der Struktur des archaealen Exosoms beitragen. Dieses Projekt wird damit unser Verständnis für die fundamentalen Vorgänge der RNA Prozessierung und Degradation erweitern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr. Elena Evguenieva-Hackenberg