SFB 646:  Regulatorische Netzwerke in Expression und Erhalt des Genoms

• Fachliche Zuordnung: Biologie
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5486242

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der Sonderforschungsbereich 646 (SFB646) hatte sich zum Ziel gesetzt, die molekularen Mechanismen und Prozesse aufzuklären, die zwei zentralen und eng miteinander verknüpften zellulären Funktionen zugrunde liegen, nämlich der Expression und dem Erhaltung eukaryotischer Genome. Ein besonderer Schwerpunkt lag dabei auf dem Verständnis der physikalischen und funktionellen Kopplung solcher Prozesse. Die Expression des Genoms stand im Fokus des Forschungsbereichs A, der Untersuchungen der RNA-Transkription, der -Prozessierung, des -Kernexports, der -Lokalisation, der -Translation und des RNA- Abbaus umfasste. Im Forschungsbereich B wurde der Erhalt des Genoms analysiert, darunter Studien zu DNA-Organisation, -Repression, -Replikation, homologer Rekombination und DNA-Reparatur. Ein besonderer Schwerpunkt lag dabei auf Forschungsprojekten, die eine Brücke zwischen diesen beiden Bereichen und den einzelnen Prozessen bildeten. Während der gesamten Förderperiode von 2005 bis 2016 wurden zahlreiche Entdeckungen gemacht, oft in zunehmend kollaborativer Weise, und die gewonnenen Erkenntnisse trugen zu einem neuen molekularen Verständnis der oben genannten Prozesse bei. Bereits in der frühen Phase des SFB646 konnte beispielsweise eine molekulare Beschreibung der RNA-Transkriptions-abhängigen Erkennung von DNA-Schäden vorgelegt werden und eine erste strukturelle Analyse für die Transkription durch RNA-Polymerase I erstellt werden, die nicht Protein-kodierende Gene wie ribosomale rDNA abliest. Andere Beispiele sind die erste Struktur eines DNA-Remodeler-Enzyms im Komplex mit seinem DNA-Substrat, die Beschreibung eines Hefekomplexes, der die mRNA-Lokalisierung vermittelt, oder die Aufklärung des Mechanismus, mit dem Ribosomen recycelt werden. Später wurden mit neuen Projektleitern auch neue Technologien und neue Modellorganismen wie die Fruchtfliege D. melanogaster oder der Nematodenwurm C. elegans in den SFB646 eingeführt. Die neue Technologie umfasste u.a. Bioinformatik-Technologie, systemweite Ansätze zur Analyse von Protein-DNA-Wechselwirkungen oder des RNA-Metabolismus sowie die hochauflösende Kryo-Elektronenmikroskopie. Neue Organismen und neue Technologien boten die Möglichkeit systemweite Fragestellungen zu bearbeiten. Zu den späteren Projekten gehörten nun die Charakterisierung transkriptioneller regulatorischer Netzwerke, die RNA-vermittelte Heterochromatin-Bildung und das Gen-Silencing sowie die Erhaltung der Chromatin-Organisation durch Histon-Chaperone. Auch die frühen Projekte wurden erfolgreich weiterentwickelt, um ein mechanistisches Verständnis zu erlangen beispielsweise von der Transkriptions-Koaktivator vermittelten Genregulation, des transkriptionsgekoppelten mRNA-Exports, der epigenetischen Rolle neu beschriebener DNA-Cytosin-Modifikationen und des durch Translation induzierten mRNA-Zerfalls. Diese herausragenden Leistungen zeichnen sich durch eine intensive Zusammenarbeit innerhalb des SFB646 aus und ihr wissenschaftlicher Wert wird durch zahlreiche Veröffentlichungen in hochrangigen internationalen Zeitschriften wie Nature, Cell und Science unterstrichen. Es muss betont werden, dass von den (schwer zu wählenden) 40 wichtigsten Veröffentlichungen, die aus SFB646-finanzierten Projekten hervor gegangen sind, die Hälfte von zwei oder mehr Projektleitern des SFB gemeinsam verfasst wurden. Im Ergebnis wurden völlig neue und umfangreiche molekulare Erkenntnisse gewonnen, die oft in ein systemweites Funktionsverständnis integriert werden konnten. Insgesamt gelang es dem SFB646 erfolgreich, Synergien zu generieren und der SFB646 hat nicht nur in der wissenschaftlichen Gemeinschaft, sondern auch auf dem wachsenden LMU-Campus in München außergewöhnlich positive Spuren hinterlassen, die ein grundlegendes Verständnis der Erhaltung und der Expression des eukaryotischen Genoms weiter fördern werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Structure and TBP binding of the Mediator head subcomplex Med8-Med18-Med20. Nat Struct Mol Biol. 2006 Oct;13(10):895-901
  Larivière L, Geiger S, Hoeppner S, Röther S, Strässer K, Cramer P
  
• Bypass of DNA lesions generated during anticancer treatment with cisplatin by DNA polymerase eta. Science. 2007 Nov 9;318(5852):967-70
  Alt A, Lammens K, Chiocchini C, Lammens A, Pieck JC, Kuch D, Hopfner KP, Carell T
  
• CPD damage recognition by transcribing RNA polymerase II. Science. 2007 Feb 9;315(5813):859-62
  Brueckner F, Hennecke U, Carell T, Cramer P
  
• Functional architecture of RNA polymerase I. Cell. 2007 Dec 28;131(7):1260-72
  Kuhn CD, Geiger SR, Baumli S, Gartmann M, Gerber J, Jennebach S, Mielke T, Tschochner H, Beckmann R, Cramer P
  
• Structure of a Survivin-Borealin-INCENP core complex reveals how chromosomal passengers travel together. Cell. 2007 Oct 19;131(2):271-85
  Jeyaprakash AA, Klein UR, Lindner D, Ebert J, Nigg EA, Conti E
  
• Transcribing RNA polymerase II is phosphorylated at CTD residue serine-7. Science. 2007 Dec 14;318(5857):1780-2
  Chapman RD, Heidemann M, Albert TK, Mailhammer R, Flatley A, Meisterernst M, Kremmer E, Eick D
  
• A nano-positioning system for macromolecular structural analysis. Nat Methods. 2008 Nov;5(11):965-71
  Muschielok A, Andrecka J, Jawhari A, Brückner F, Cramer P, Michaelis J
  
• Endo-siRNAs depend on a new isoform of loquacious and target artificially introduced, high-copy sequences. EMBO J. 2009. 28(19):2932-44
  Hartig JV, Esslinger S, Böttcher R, Saito K, Förstemann K
  
• Structural insight into nascent polypeptide chain-mediated translational stalling. Science. 2009 Dec 4;326(5958):1412-5
  Seidelt B, Innis CA, Wilson DN, Gartmann M, Armache JP, Villa E, Trabuco LG, Becker T, Mielke T, Schulten K, Steitz TA, Beckmann R
  
• Structures of the tRNA export factor in the nuclear and cytosolic states. Nature. 2009 Sep 3;461(7260):60-5
  Cook AG, Fukuhara N, Jinek M, Conti E
  
• Uniform transitions of the general RNA polymerase II transcription complex. Nat Struct Mol Biol. 2010 Oct;17(10):1272-8
  Mayer A, Lidschreiber M, Siebert M, Leike K, Söding J, Cramer P
  
• Structure and mechanism of the Swi2/Snf2 remodeller Mot1 in complex with its substrate TBP. Nature. 2011. 475(7356):403-7
  Wollmann P, Cui S, Viswanathan R, Berninghausen O, Wells MN, Moldt M, Witte G, Butryn A, Wendler P, Beckmann R, Auble DT, Hopfner KP
  
• The Mre11:Rad50 structure shows an ATP-dependent molecular clamp in DNA double-strand break repair. Cell. 2011 Apr 1;145(1):54-66
  Lammens K, Bemeleit DJ, Möckel C, Clausing E, Schele A, Hartung S, Schiller CB, Lucas M, Angermüller C, Söding J, Strässer K, Hopfner KP
  
• Structural basis of highly conserved ribosome recycling in eukaryotes and archaea. Nature. 2012 Feb 22;482(7386):501-6
  Becker T, Franckenberg S, Wickles S, Shoemaker CJ, Anger AM, Armache JP, Sieber H, Ungewickell C, Berninghausen O, Daberkow I, Karcher A, Thomm M, Hopfner KP, Green R, Beckmann R
  
• Structure of the Mediator head module. Nature. 2012 Dec 20;492(7429):448-51
  Larivière L, Plaschka C, Seizl M, Wenzeck L, Kurth F, Cramer P
  
• (2013). Dynamic Readers for 5-(Hydroxy)Methylcytosine and Its Oxidized Derivatives. Cell. 2013, 152, 1146-59
  Spruijt CG, Gnerlich F, Smits AH, Pfaffeneder T, Jansen PW, Bauer C, Münzel M, Wagner M, Müller M, Khan F, Eberl HC, Mensinga A, Brinkman AB, Lephikov K, Müller U, Walter J, Boelens R, van Ingen H, Leonhardt H, Carell T and Vermeulen M
  
• Crystal structure of the human eIF4AIII-CWC22 complex shows how a DEAD-box protein is inhibited by a MIF4G domain. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013, 110, E4611-4618
  Buchwald, G., Schussler S., Basquin C., Le Hir H. and Conti E
  
• Drosophila miR-277 controls branched-chain amino acid catabolism and affects lifespan. RNA Biol. 2013, 10(6):1042-56
  Esslinger SM, Schwalb B, Helfer S, Michalik KM, Witte H, Maier KC, Martin D, Michalke B, Tresch A, Cramer P, Förstemann K
  
• In vitro reconstitution of an mRNA- transport complex reveals mechanisms of assembly and motor activation. J Cell Biol. 2013 Dec 23;203(6):971-84
  Heym RG, Zimmermann D, Edelmann FT, Israel L, Ökten Z, Kovar DR, Niessing D
  
• Monitoring Homology Search during DNA Double-Strand Break Repair In Vivo. Mol Cell, 2013, 50, 261-272
  J. Renkawitz, C. A. Lademann, M. Kalocsay, and S. Jentsch
  
• Role of Cdc48/p97 as a SUMO-targeted segregase curbing Rad51-Rad52 interaction. Nat Cell Biol. 2013, 15, 526-32
  Bergink S, Ammon T, Kern M, Schermelleh L, Leonhardt H and Jentsch S
  
• Role of Loc1p in assembly and reorganization of nuclear ASH1 messenger ribonucleoprotein particles in yeast. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Dec 24;110(52):E5049-58
  Niedner A, Müller M, Moorthy BT, Jansen RP, Niessing D
  
• Structural basis of histone H2A-H2B recognition by the essential chaperone FACT. Nature. 2013, 499, 111-114
  Hondele M, Stuwe T, Hassler M, Halbach F, Bowman A, Zhang ET, Nijmeijer B, Kotthoff C, Rybin V, Amlacher S, Hurt E and Ladurner AG
  
• Structure and subunit topology of the INO80 chromatin remodeler and its nucleosome complex. Cell. 2013, 154(6):1207-19
  Tosi A, Haas C, Herzog F, Gilmozzi A, Berninghausen O, Ungewickell C, Gerhold CB, Lakomek K, Aebersold R, Beckmann R, Hopfner KP
  
• Transcriptome surveillance by selective termination of non-coding RNA synthesis. Cell. 2013, 155, 1075–1087
  Schulz, D., Schwalb, B., Kiesel, A., Baejen, C., Torkler, P., Gagneur, J., Söding, J. and Cramer, P.
  
• Efficient chromosomal gene modification with CRISPR/cas9 and PCR-based homologous recombination donors in cultured Drosophila cells. Nucleic Acids Res. 2014, 42(11):e89
  Böttcher R, Hollmann M, Merk K, Nitschko V, Obermaier C, Philippou-Massier J, Wieland I, Gaul U, Förstemann K
  
• Eukaryotic and archaeal TBP and TFB/TF(II)B follow different promoter DNA bending pathways. Nucleic Acids Res. 2014 42: 6219-6231
  Gietl A, Holzmeister P, Blombach F, Schulz S, von Voithenberg LV, Lamb DC, Werner F, Tinnefeld P, and Grohmann D
  
• Mechanisms and principles of homology search during recombination. Nat Rev Mol Cell Biol. 2014, 15, 369-383
  J. Renkawitz, C. A. Lademann, and S. Jentsch
  
• Synthesis of a DNA Promoter Segment Containing All Four Epigenetic Nucleosides: 5-Methyl-, 5-Hydroxymethyl-, 5-Formyl-, and 5- Carboxy-2’-Deoxycytidine. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 315-8
  Schröder A.S., Steinbacher J., Steigenberger B., Gnerlich F.A., Schiesser S., Pfaffeneder T., Carell T.
  
• Tet oxidizes thymine to 5-hydroxymethyluracil in mouse embryonic stem cell DNA. Nat Chem Biol. 2014, 10, 574-81
  Pfaffeneder T, Spada F, Wagner M, Brandmayr C, Laube SK, Eisen D, Truss M, Steinbacher J, Hackner B, Kotljarova O, Schuermann D, Michalakis S, Kosmatchev O, Schiesser S, Steigenberger B, Raddaoui N, Kashiwazaki G, Müller U, Spruijt CG, Vermeulen M, Leonhardt H, Schär P, Müller M and Carell T
  
• TET-mediated oxidation of methylcytosine causes TDG or NEIL glycosylase dependent gene reactivation. Nucleic Acids Res. 2014, 42, 8592-604
  Müller U, Bauer C, Siegl M, Rottach A and Leonhardt H
  
• Architecture of the RNA polymerase II-Mediator core initiation complex. Nature. 2015, Feb 19;518(7539):376-80
  Plaschka C, Larivière L, Wenzeck L, Seizl M, Hemann M, Tegunov D, Petrotchenko EV, Borchers CH, Baumeister W, Herzog F, Villa E, Cramer P
  
• Phosphorylation of TET proteins is regulated via O-GlcNAcylation by the glycosyltransferase OGT. J Biol Chem. 2015, 290, 4801-12
  Bauer C, Gobel K, Nagaraj N, Colantuoni C, Wang M, Muller U, Kremmer E, Rottach A and Leonhardt H
  
• Architecture of the 90S Pre-ribosome: A Structural View on the Birth of the Eukaryotic Ribosome. Cell. 2016, 166, 380-93
  Kornprobst M, Turk M, Kellner N, Cheng J, Flemming D, Koš-Braun I, Koš M, Thoms M, Berninghausen O, Beckmann R, Hurt E
  
• Determination of Local Chromatin Composition by CasID. Nucleus. 2016, 7, 476-484
  Schmidtmann E, Anton T, Rombaut P, Herzog F and Leonhardt H
  
• Structural Dynamics of the YidC:Ribosome Complex during Membrane Protein Biogenesis. Cell Rep. 2016, 17: 2943-2954
  Kedrov A, Wickles S, Crevenna AH, van der Sluis EO, Buschauer R, Berninghausen O, Lamb DC, and Beckmann R
  
• The cryo-EM structure of a ribosome-Ski2-Ski3-Ski8 helicase complex. Science. 2016 Dec 16;354(6318):1431-1433
  Schmidt C, Kowalinski E, Shanmuganathan V, Defenouillère Q, Braunger K, Heuer A, Pech M, Namane A, Berninghausen O, Fromont-Racine M, Jacquier A, Conti E, Becker T, Beckmann R
  
• Sen1 has unique structural features grafted on the architecture of the Upf1-like helicase family. EMBO J. 2017 Jun 1;36(11):1590-1604
  Leonaitė B, Han Z, Basquin J, Bonneau F, Libri D, Porrua O, Conti E
  
• Structure of core Mediator at 3.4 A extends transcription initiation complex model. Nature. 2017, May 11;545(7653):248-251
  Nozawa, K., Schneider, T., Cramer P.
  
• True equilibrium measurement of transcription factor-DNA binding affinities using automated polarization microscopy. Nat Commun. 2018 Apr 23;9(1):1605
  Jung C, Bandilla P, von Reutern M, Schnepf M, Rieder S, Unnerstall U, Gaul U