Strukturelle Grundlagen des kompletten RNA Polymerase I Initiationssystems

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph Engel
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 394580547

Die Transkription ribosomaler RNA (rRNA) durch RNA Polymerase (Pol) I ist ein essentieller Prozess in allen Eukaryoten. Im Vergleich zu Pol II und Pol III, welche Transfer-RNA und Boten-RNA transkribieren, ist das Pol I System trotz seiner großen Bedeutung kaum auf einer molekularen Ebene verstanden. Erst neueste Studien begannen damit, die strukturellen Grundlagen und zugrundeliegenden molekularen Mechanismen der Pol I Initiation zu entwirren. Die Kristallstrukturen von Pol I alleine und ihrer Initiationsfaktoren Rrn3 und ‚Core Faktor‘ (CF) zu lösen bildete die Grundlage für diese Untersuchungen. Schließlich machten technologische Fortschritte in kryo-Elektronenmikroskopie (kryo-EM) es möglich, die Architektur eines initial transkribierenden Pol I Komplexes mit allen der genannten Initiationsfaktoren zu bestimmen. Diese Arbeit schlägt vor, dass biophysikalische Eigenschaften der DNA, nicht eine bestimmte Basen-Sequenz die den rRNA Promoter bestimmten könnten, was einen jahrelangen Stillstand in der Untersuchung des Initiationsprozesses überwand. Unabhängig davon ist allerdings die spezifische Rekrutierung von Pol I zu ihrem Promoter und die Aufrechterhaltung nativer Initiationsraten durch den sogenannten ‚Upstream Activating Factor‘ (UAF). Dieser Faktor hat außerdem die Funktion, eine Transkription von rRNA durch Pol II zu verhindern. Deletiert man UAF-Gene in Hefen führt das dazu, dass Pol II rRNA transkribiert und Pol I überflüssig wird. Wie es möglich ist, dass ein einziger Faktor Pol I spezifisch rekrutiert, native Initiationsraten aufrecht erhält und rRNA Transkription durch Pol II verhindert bleibt mysteriös. Keine der sechs UAF-Untereinheiten zeigt eine erkennbare Verwandtschaft mit Initiationsfaktoren vergleichbarer Systeme. Daher wird sich die detaillierte Untersuchung von UAF in wissenschaftliches Neuland begeben. Dafür werden wir strukturbiologische Hybridmethoden bestehend aus Röntgenkristallographie und kryo-EM auf Grundlage von bioinformatischen Vorhersagen sowie experimenteller Domänendefinition benutzen. Zusammen mit den Ergebnissen von biochemischen Initiationsexperimenten werden wir UAF auf struktureller und funktioneller Ebene charakterisieren und seine Wechselwirkung mit CF, dem TATA-bindenden Protein (TBP), dem rRNA Promoter und Pol I untersuchen. Die Ergebnisse sollten es erlauben, die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen zu verstehen und mit verwandten Transkriptionssystemen zu vergleichen. Das könnte erklären, warum sich das Pol I System so hoch spezialisiert auf die Transkription eines einzigen Genprodukts, der rRNA, entwickelt hat. Unabhängig davon haben klinische Untersuchungen gezeigt, dass eine spezifische Inhibition der Pol I Initiation das Potential hat, als neue therapeutische Krebsbehandlung eingesetzt zu werden. Können wir also die molekularen Grundlagen des kompletten Pol I Initiationssystems verstehen, ebnet das den Weg für die zukünftige, hypothesengetriebene Entwicklung von therapeutischen Strategien.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: FPLC
• Gerätegruppe: 1350 Flüssigkeits-Chromatographen (außer Aminosäureanalysatoren 317), Ionenaustauscher