Directed evolution to understand enzyme function of almost protein independent bacterial RNase P RNA versus largely protein-dependent archaeal RNase P RNA

• Applicant: Professor Dr. Roland K. Hartmann
• Subject Area: Biochemistry
• Term: from 2004 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5429323

• Final Report Year: 2011

Final Report Abstract

Ausgangspunkt des Projekts war die Beobachtung, dass bakterielle, archaeale und eukaryontische RNase P RNAs eine vergleichbare globale Struktur besitzen, aber nur die bakteriellen RNase P RNAs ohne Proteinkomponente(n) katalytisch deutlich aktiv sind, während RNase P RNAs aus Archaea wenig und organellare sowie Kern-lokalisierte eukaryontische RNase P RNAs eine kaum nachweisbare RNA-Alleinaktivität besitzen. Die strukturellen Ursachen dafür waren zu Beginn unserer Studien weitgehend unklar. In dem Projekt "Directed evolution to understand enzyme function of almost protein independent bacterial RNase P RNA versus largerly protein-dependent archaeal RNase P RNA" wurden im Wesentlichen zwei Ansätze verfolgt. Zum einen haben wir tertiäre Interaktionen in der bakteriellen RNase P RNA auf ihre Funktion bei der Stabilisierung der katalytisch aktiven RNA-Konformation untersucht. So wurden P1-L9-Interdomänenkontakte, die im Verdacht standen in RNase P RNAs aus thermophilen Bakterien verstärkt zu sein, in die RNase P RNA des mesophilen Bakteriums E. coli implantiert. Diese chimären E. coli RNase P RNAs konnten dadurch tatsächlich in thermostabile RNase P-Ribozyme umgewandelt werden. Zum anderen haben wir in RNase P RNAs, die ohne Proteinkomponenten quasi inaktiv sind (die RNase P RNAs aus einem Archaeon sowie einem Plastid), einzelne sowie kombinierte strukturelle Veränderungen eingeführt, die typisch für bakterielle RNAs sind. Mit dieser Strategie der "Directed Evolution" konnten wir Strukturelemente sowie synergistische Effekte zwischen verschiedenen Strukturmerkmalen identifizieren, die eine besonders kritische Rolle für die katalytische RNA-Alleinaktivität spielen.

Publications

• Thermostable RNase P RNAs lacking P18 identified in the Aquificales. RNA, Vol. 12. 2006, pp. 1915-1921.
  Marszalkowski, M., Teune, J. H., Steger, G., Hartmann, R. K., Willkomm, D. K.
  
• RNase P of the Cyanophora paradoxa cyanelle: a plastid ribozyme. Biochimie, Vol. 89. 2007, Issue 12, pp. 1528–1538.
  Li, D., Willkomm, D. K., Schön, A., Hartmann, R. K.
  
• Structural basis of a ribozyme's thermostability: P1-L9 interdomain interaction in RNase P RNA. RNA, Vol. 14. 2008, pp. 127-133.
  Marszalkowski, M., Willkomm, D. K. and Hartmann, R. K.
  
• Minor changes largely restore catalytic activity of archaeal RNase P RNA from Methanothermobacter thermoautotrophicus. Nucleic Acids Research (NAR), Vol. 37. 2009, Issue 1, pp. 231-242.
  Li, D., Willkomm, D.K., Hartmann, R. K.
  
• Analysis of bacterial RNase P RNA and protein interaction by a magnetic biosensor technique. Biochimie, Vol. 92. 2010, Issue 7, pp. 772–778.
  Li, D., Meyer, M. H., Willkomm, D. K., Keusgen, M., Hartmann, R. K.
  
• Archaeal-Bacterial Chimeric RNase P RNAs: Towards Understanding RNA's Architecture, Function and Evolution. ChemBioChem, Vol. 12. 2011, Issue 10, pp. 1536–1543.
  Li, D., Gößringer, M. Hartmann, R. K.