Molecular mechanisms of Gli protein activation in vertebrate Hedgehog signaling and Hedgehog-driven cancers.
Biochemistry
Developmental Biology
Final Report Abstract
Transkriptionsfaktoren und RNA-bindende Proteine spielen eine zentrale Rolle bei der Genexpression. Sie dienen dafür, die genetische Information im Zellkern auszulesen und beispielsweise für die Proteinsynthese im Zytoplasma verfügbar zu machen. Unkontrollierte oder fehlerhafte Aktivität dieser zentralen Regulatoren kann zu schweren Leiden wie Krebs oder neurodegenerativen Erkrankungen führen. Humangenetische und pathobiologische Untersuchungen haben gezeigt, dass insbesondere ungefaltete Regionen in Transkriptionsfaktoren und RNA-bindenden Proteinen zur Krankheitsentstehung beitragen und in Patienten oft mutiert sind. Die physiologische Funktion dieser sogenannten intrinsically disordered regions (kurz: IDRs) ist jedoch weitestgehend unbekannt. Das übergeordnete Ziel meiner Forschung ist, die Funktion von IDRs in der Genexpression im molekularen Detail zu ergründen und darauf aufbauend zur Entwicklung neuer Behandlungsstrategien von Krebs und neurodegenerativen Erkrankungen beizutragen. Eine Reihe von Besonderheiten kennzeichnen IDRs. Dazu zählt vor allem, dass sich Proteine mit IDRs innerhalb von Zellen in verschiedenen Aggregatzuständen aufhalten können. Wie diese Aggregatzustände die Funktion von Proteinen mit IDRs beeinflussen ist jedoch kaum verstanden. Das liegt vor allem daran, dass die Regeln, die der Phasentrennung und Funktion von IDRs unterliegen, größtenteils unbekannt sind. Ein Beispiel für ein RNA-bindendes Protein, das IDR-vermittelte Phasentrennung zeigt, ist TDP43. Da Mutationen in der IDR von TDP43 Ursachen der degenerativen Motorneuronen-Erkrankung Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) sind, ist die Erforschung dieser Regeln für TDP43 zudem von direkter medizinischer Relevanz. Innerhalb dieses Projekts wurden die evolutionär konservierten Eigenschaften der Aminosäuresequenz bestimmt, die der Phasentrennung von TDP43 unterliegen. Als entscheidend stellte sich dabei die periodische Abfolge von hydrophoben Aminosäuremotiven in der IDR von TDP43 und deren Abstand zueinander heraus. Mutationen, die Frequenz oder Amplitude dieser periodischen Hydrophobizität lokal stören, beeinflussen die Materialeigenschaften von TDP43 Phasen und machen diese entweder flüssiger oder viskoser, je nachdem ob eine Mutation die lokale Hydrophobizität verringert oder erhöht. Basierend auf diesen Erkenntnissen konnten Sekundärmutationen, die den Effekt primärer ALS-Mutationen auf die Phaseneigenschaften von zellulären TDP43 Kondensaten rückgängig machen, vorhergesagt und getestet werden. Die Entschlüsselung der IDR-Sequenzeigenschaften, die den Eigenschaften von TDP43 Phasen unterliegen, erlaubte darüber hinaus innerhalb dieses Projektes zu testen, ob und wie Phasentrennungen zu der Hauptfunktion von TDP43 in der Prozessierung von mRNA Transkripten, insbesondere dem mRNA Splicing, beitragen. Dabei stellte sich heraus, dass Phasentrennung und Splicing zwei verschiedene Funktionszustände von TDP43 sind, die auf der Sequenzebene voneinander getrennt werden können. Da ALS-Mutationen insbesondere die Phaseneigenschaften von TDP43 Kondensaten zu beeinträchtigen scheinen, ist eine zentrale Aufgabenstellung für weiterführende Arbeiten zu klären, welche Rolle TDP43 Kondensate in der Zelle spielen.
Publications
- (2019) Decoding and recoding phase behavior of TDP43 reveals that phase separation is not required for splicing function. bioRxiv 548339
Schmidt, Hermann Broder; Barreau, Ariana; Rohatgi, Rajat
(See online at https://doi.org/10.1101/548339) - (2016). In vivo formation of vacuolated multiphase compartments lacking membranes. Cell Reports, 16(5), 1228-1236
Hermann Broder Schmidt and Rajat Rohatgi
(See online at https://doi.org/10.1016/j.celrep.2016.06.088) - (2018). A single N-terminal phosphomimic disrupts TDP-43 polymerization, phase separation, and RNA splicing. EMBO Journal, e97452
Ailin Wang, Alexander E Conicella, Hermann Broder Schmidt, Erik W Martin, Shannon N Rhoads, Ashley N Reeb, Amanda Nourse, Daniel Ramirez Montero, Veronica H Ryan, Rajat Rohatgi, Frank Shewmaker, Mandar T Naik, Tanja Mittag, Yuna M Ayala, Nicolas L Fawzi
(See online at https://doi.org/10.15252/embj.201797452)
