Der DNA-Reparaturproteinkomplex ist ein Gestaltwandler, der sich selbst neu konfiguriert, um den Anforderungen jeder Aufgabe gerecht zu werden

Der Transkriptionsfaktor IIH oder TFIIH, ausgesprochen „TF two H“, ist ein wahres Arbeitstier unter den Proteinkomplexen, die die Aktivität menschlicher Zellen steuern. Es spielt eine entscheidende Rolle sowohl bei der Transkription – der stark regulierten enzymatischen Synthese von RNA aus einer DNA-Matrize – als auch bei der Reparatur beschädigter DNA. Aber wie kann eine Proteinanordnung an zwei so unterschiedlichen und äußerst wichtigen genomischen Aufgaben beteiligt sein?

Ein Forscherteam unter der Leitung des Chemieprofessors Ivaylo Ivanov von der Georgia State University nutzte den Summit-Supercomputer im Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums, um bei der Beantwortung dieser Frage zu helfen. Durch die Durchführung mehrerer molekulardynamischer Simulationen von TFIIH in Transkriptions- und DNA-Reparatur-fähigen Zuständen und die anschließende Gegenüberstellung der wirkenden Strukturmechanismen machten Ivanov und sein Team eine interessante Entdeckung: TFIIH ist ein Gestaltwandler, der sich selbst neu konfiguriert, um den Anforderungen jeder Aufgabe gerecht zu werden.

Die Aufklärung des Innenlebens von TFIIH an der Schnittstelle von Transkription und DNA-Reparatur ist der Schlüssel zum Verständnis der Ursprünge genetischer Störungen, die durch Mutationen verursacht werden – Erbkrankheiten wie Xeroderma pigmentosum, Trichothiodystrophie und Cockayne-Syndrom. Das GSU-Team veröffentlichte seine Ergebnisse in der Zeitschrift Naturkommunikation.

„Dieses Projekt zeigt, wie vielseitig Proteinanordnungen sein können, da sie an sehr unterschiedlichen zellulären Prozessen beteiligt sind. Zu verstehen, wie genetische Mutationen die Funktion von TFIIH beeinträchtigen, ist der erste Schritt bei der Entwicklung therapeutischer Strategien wie der Genbearbeitung“, sagte Ivanov.

Die Ergebnisse des Projekts sind nur die neuesten in Ivanovs laufender Forschung zur molekularen Maschinerie der Genexpression mithilfe der Supercomputer der Oak Ridge Leadership Computing Facility, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science am ORNL.

Transkriptionsinitiierung vs. DNA-Reparatur

Die Struktur von TFIIH wurde durch Kryo-Elektronenmikroskopie kartiert, aber um seine Funktionsdynamik während der Transkriptionsinitiierung und DNA-Reparatur zu verstehen, musste das GSU-Team die großräumige Dynamik von Systemen aus fast 2 Millionen Atomen modellieren – wobei mehrere Kopien gleichzeitig ablaufen.

„Wir stützen uns oft auf Kettensimulationen, um groß angelegte Konformationsänderungen in biomolekularen Komplexen zu beschreiben“, sagte Ivanov. „Um diese Art von Simulationen durchzuführen, müssen Sie in der Lage sein, viele Replikate des Simulationssystems gleichzeitig auszuführen. Dies ist nur möglich, wenn Sie über eine große Anzahl von GPU-Knoten verfügen, beispielsweise auf Summit. In einem Fall Wir haben etwa 70 Replikate verwendet, sodass der Rechenaufwand für die Beschreibung dieser Mechanismen sehr schnell ansteigt.“

TFIIH ist ein integraler Bestandteil des Transcription Preinitiation Complex (PIC), einer Ansammlung von Proteinen, die für die Genexpression wichtig sind und die Ivanov und sein Team zuvor ebenfalls nach Summit modelliert hatten. Wie der Name schon sagt, hilft der PIC dabei, den Transkriptionsprozess auszulösen, bei dem die DNA-Sequenz eines Gens in Boten-RNA kopiert wird. Die mRNA liefert diese genetischen Informationen dann in das Zytoplasma der Zelle, wo sie in ein Protein übersetzt wird und es so ermöglicht, seine kodierte Funktion auszuüben, z. B. die Vorbeugung von Krankheiten oder die Bereitstellung von Energie.

„TFIIH ist die Komponente der Anordnung, die den molekularen Motor enthält, der die Duplex-DNA an einer bestimmten Stelle im Genom abwickelt und sie in Richtung des aktiven Zentrums der RNA-Polymerase schiebt. Ohne dieses anfängliche Abwickeln der DNA, um den Matrizenstrang freizulegen, wäre die Transkription wirklich nicht möglich.“ „Es funktioniert nicht“, sagte Ivanov.

Der Transkriptionsfaktor IIH ist auch ein wichtiger Bestandteil der Proteinmaschinerie, die die Nukleotid-Exzisionsreparatur durchführt – ein vielseitiger DNA-Reparaturweg, der eine Vielzahl genomischer Läsionen entfernt, die beispielsweise durch ultraviolettes Licht, Chemotherapie-Behandlungen und die Einwirkung von Karzinogenen aus der Umwelt entstehen.

Das Team konzentrierte sich darauf, wie die beiden Untereinheiten von TFIIH, XPB und XPD, unterschiedlich agierten, um die DNA umzuformen. XPB und XPD sitzen an den Rändern der hufeisenförmigen Baugruppe des TFIIH. Bei der Transkriptionsinitiierung hat das Hufeisen eine offene Konformation, wobei XPB als aktive Komponente beim Abwickeln der DNA dient. XPD hingegen erfüllt eine rein strukturelle Rolle – die DNA wird von ihr weggeleitet und ihre DNA-Bindungsfurche wird blockiert.

„XPD wird so reguliert, dass es daran gehindert wird, DNA zu verarbeiten. Eine andere Untereinheit von TFIIH namens p62 erfüllt eine regulatorische Rolle – sie fügt sich in die DNA-Bindungsfurche von XPD ein und blockiert dessen Funktion“, sagte Ivanov.

Beim Scannen nach Läsionen während der DNA-Reparatur – entweder Nukleotid-Exzisionsreparatur oder transkriptionsgekoppeltes NER – nimmt TFIIH jedoch eine geschlossene Konformation an und die Rollen von XPB und XPD sind vertauscht.

„Zuvor hatten wir die TFIIH-Dynamik innerhalb des PIC modelliert, was es uns ermöglichte, den Komplex in Funktionsmodule zu unterteilen“, sagte Ivanov. „Wir stellten interessanterweise fest, dass die Schnittstellen zwischen Funktionsmodulen die meisten krankheitsassoziierten TFIIH-Mutationen beherbergten. Zu diesem Zeitpunkt verfügten wir jedoch nicht über die Simulationen des kompetenten Zustands der Nukleotid-Exzisionsreparatur – und das lieferte ein unvollständiges Bild davon.“ was das TFIIH bei der DNA-Reparatur tat.“

Das neue, detaillierte Bild der mechanischen Dynamik von TFIIH liefert Einblicke in die Hauptbewegungen, die es TFIIH ermöglichen, DNA bei der Transkriptionsinitiierung im Vergleich zur Nukleotid-Exzisionsreparatur umzugestalten. Dies kann bei der Suche nach der Behandlung genetischer Störungen hilfreich sein.

„Innovative Computeransätze, wie sie in diesem Bericht beschrieben werden, beleben statische Bilder biologischer Maschinen und bereichern dynamische Ansichten ihrer Funktionsweise“, sagte Manju Hingorani, Programmdirektor in der Direktion für Biowissenschaften der National Science Foundation. „In diesem Fall können neue Erkenntnisse darüber, wie sich ein Proteinkomplex umformt und selbst reguliert, um die Reparatur beschädigter DNA und die Wiederherstellung der Zellfunktion zu ermöglichen, erklären, wie Defekte im Prozess Krankheiten verursachen.“

Dynamische Strukturanalyse

Das GSU-Team nutzte Graphalgorithmen, um das Proteinnetzwerk von TFIIH in stark verbundene Komponenten zu unterteilen und so dynamische Module zu identifizieren – die Teile, die sich zusammen bewegen. Diese Modelle zeigten wiederum, wie sich die Module im Verhältnis zu anderen Teilen der Struktur bewegen.

„Jetzt können wir die funktionelle Dynamik von TFIIH vergleichen und gegenüberstellen, wenn es bei der Transkription aktiv ist, und wenn es bei der Nukleotid-Exzisionsreparatur aktiv ist“, sagte Ivanov. „Plötzlich sieht man Gemeinschaften, die zuvor zusammengeschlossen waren, sich zu öffnen und sich an Bewegungen zu beteiligen, mit denen man nicht gerechnet hätte, wenn man sich nur den Zustand der Transkriptionskompetenz anschaut.“

Die Forscher können auch verschiedene Arten von Informationen auf das Proteinnetzwerkmodell abbilden, etwa dynamische Korrelationen oder Kontaktwahrscheinlichkeiten. Dadurch können sie sich auf die wichtigen Schnittstellen konzentrieren, die sich in den jeweiligen Strukturübergängen verändern, und diese im Detail analysieren. Dann wird es möglich, die Mutationen verschiedener Krankheitsphänotypen anhand ihrer Position in der TFIIH-Struktur und der dynamischen Rolle, die sie spielen, zu klassifizieren.

„Wenn man diese unterschiedlichen dynamischen Ensembles im Transkriptionsfall im Vergleich zum NER-Kompetenzzustand hat, kann man eine sehr detaillierte Analyse durchführen, wie Patientenmutationen für verschiedene genetische Störungen in Bezug auf die dynamischen Gemeinschaften positioniert sind, die wir identifiziert haben“, sagte Ivanov. „Grundsätzlich besteht die Möglichkeit – durch das Verständnis der Transkriptions- und NER-Mechanismen in TFIIH – seine Funktion auf den einen oder anderen Weg zu lenken.“