Strukturdynamische Grundlagen der Multifunktionalität eines globalen Genregulators

• Antragsteller: Professor Dr. Markus C. Wahl
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie ; Biochemie ; Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 433623608

Über 90 % aller bakteriellen Spezies mit sequenziertem Genom exprimieren eine hexamere RNA-abhängige NTPase, p. In vielen dieser Spezies ist p ein essentieller Faktor. ρ ist seit langem als Vermittler der Transkriptionstermination bekannt, der z.B. in Escherichia coli die Enden von 20-30 % der Transkriptionseinheiten festlegt. Jüngere Befunde haben jedoch eine unerwartete Multifunktionalität von ρ ans Licht gebracht, über die p als globaler Genregulator und als Faktor, der phänotypische Heterogenität in Bakterien verursachen und damit das Überleben der Population unter ungünstigen Bedingungen ermöglichen kann, fungiert. So kann ρ unter anderem auch Attenuation in 5’-untranslatierten Regionen vermitteln, das Ausmaß von Antisense-Transkription einschränken, Fremdgene stummschalten und Genome durch Einschränkung der Bildung von R-Loops schützen. Diese Multifunktionalität von p wird offensichtlich über die Regulation seiner Aktivitäten durch direkte oder indirekte Interaktionen mit anderen Proteinen und RNA-Elementen vermittelt. Trotz jahrzehntelanger Forschung sind sowohl die molekularen Mechanismen, die der p-vermittelten Transkriptionstermination unterliegen, als auch die Mechanismen, über die andere Proteine und RNAs ρ-Aktivitäten und Funktionen beeinflussen und diversifizieren, im Detail unverstanden. Dieses Projekt ist darauf ausgerichtet, ein umfassendes Bild der strukturellen Basis der dynamischen Interaktionen von p mit Transkriptionselongationskomplexen und mit p-modulierenden Proteinen und RNAs im Kontext von Elongationskomplexen zu zeichnen, und aufzudecken, wie diese Interaktionen die vielfältigen zellulären Funktionen von p vermitteln. Die vorgeschlagenen Arbeiten beinhalten die Präparation und die strukturelle Analyse von großen und flexiblen molekularen Maschinerien zu verschiedenen Stadien und in verschiedenen regulativen Zuständen entlang NTP-getriebener, mehrstufiger Prozesse, sowie die Aufklärung der mit diesen Prozessen verbundenen konformationellen und kompositorischen Dynamik dieser makromolekularen Komplexe. Darüber hinaus sollen die strukturellen Befunde genutzt werden, um in gerichteter Art und Weise Funktionsanalysen in vitro und in vivo, einschließlich genom-/transkriptomweiter Untersuchungen, durchzuführen. Mit der erfolgreichen Assemblierung sorgfältig konzipierter p-modifizierter und p-modulierender Elongationskomplexe und unter Ausnutzung kürzlich erfolgter Durchbrüche bei der strukturellen Analyse makromolekularer Komplexe über Einzelpartikel-Elektronenkryomikroskopie, konnten wir bereits signifikante Fortschritte in Richtung auf diese ambitionierten Ziele verzeichnen. Die erwarteten Ergebnisse werden neue, fundamentale Prinzipien der bakteriellen Genregulation aufdecken, und die entwickelten Methoden werden als Blaupause für die phasenspezifische Analyse dynamischer makromolekularer Komplexe dienen, um "Filme" von Reaktionszyklen auch anderer molekularer Systeme im atomaren Detail zu erhalten.

• DFG-Verfahren: Reinhart Koselleck-Projekte