Wissenschaftler entschlüsseln die Funktionsweise eines Schlüsselproteins zur Umwandlung von DNA in RNA

Forscher am SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums haben neue Erkenntnisse über die grundlegenden Mechanismen der RNA-Polymerase II (Pol II) gewonnen, dem Protein, das für die Transkription von DNA in RNA verantwortlich ist. Ihre Studie zeigt, wie das Protein der wachsenden RNA-Kette Nukleotide hinzufügt. Die Ergebnisse, veröffentlicht In Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaftenhaben potenzielle Anwendungen in der Arzneimittelentwicklung.

Pol II kommt in allen Lebensformen vor, von Viren bis hin zum Menschen. Seine Rolle bei der Genexpression, dem Prozess, bei dem genetische Informationen zur Synthese von Proteinen verwendet werden, macht es zu einem der wichtigsten Proteine ​​in der Zelle. Das Verständnis des genauen Mechanismus, mit dem RNA-Polymerase Nukleotide an RNA anfügt, ist seit langem eine Herausforderung für die wissenschaftliche Gemeinschaft. Frühere Studien haben nur unvollständige Einblicke in diesen Prozess mit niedriger Auflösung geliefert.

Eine der größten Herausforderungen bei der Untersuchung von Pol II war die flüchtige Natur der Metalle, insbesondere Magnesium, in seinem aktiven Zentrum. Diese Metalle spielen eine entscheidende Rolle bei den chemischen Reaktionen, die die Nukleotidanlagerung antreiben, aber ihre flüchtige Präsenz macht es schwierig, sie zu beobachten.

„Die Chemie der Polymerase beinhaltet Metalle, die sich im aktiven Zentrum vorübergehend befinden, was sie schwer zu erkennen macht“, sagte Guillermo Calero, ein Forscher und Professor an der Universität Pittsburgh. „Dies war ein erhebliches Hindernis für das vollständige Verständnis des Nukleotidanhangs.“

Um diese Herausforderungen zu überwinden, verwendete das Forschungsteam eine neuartige Kristallisationstechnik, bei der ein spezielles Salz zum Einsatz kam, das dafür bekannt ist, Protein-Protein-Interaktionen zu fördern. Mit dieser Technik konnten die Forscher die Polymerase in einem bisher nicht sichtbaren Zustand erfassen. Dieser Durchbruch ermöglichte es ihnen, die „Triggerschleife“, einen beweglichen Teil von Pol II, der Nukleotide im aktiven Zentrum positioniert, in beispielloser Detailgenauigkeit zu beobachten.

Ein weiterer wichtiger Bestandteil der Studie war der Einsatz des Röntgenlasers Linac Coherent Light Source (LCLS) des SLAC. Er ermöglichte es den Forschern, Daten zu sammeln, bevor die Probe durch Strahlung erheblich geschädigt wurde, und lieferte so ein klareres Bild der Struktur und Funktion der Polymerase.

„Zum ersten Mal konnten wir die drei Magnesiumionen im aktiven Zentrum sehen“, sagte Mitarbeiterin und SLAC-Wissenschaftlerin Aina Cohen. „Das war nur dank der Freie-Elektronen-Laserdaten möglich, die es uns ermöglichten, das extrem strahlungsempfindliche dritte Metallion zu sehen.“

Ein weiterer interessanter Befund ergab sich aus der Untersuchung einer mutierten Version von Pol II. Diese mutierte RNA-Polymerase arbeitet schneller als der Wildtyp, produziert aber auch mehr Fehler.

„Die Mutation verändert die Struktur von Pol II“, sagte Craig Kaplan, Professor an der Universität Pittsburgh. „Mithilfe von LCLS können wir diese strukturellen Veränderungen identifizieren, die Aufschluss darüber geben könnten, wie sich die Mutation auf die Aktivität von Pol II auswirkt.“

Das Team arbeitet bereits an zeitaufgelösten Experimenten, um die Echtzeitdynamik der Trigger-Schleife der Polymerase bei ihrer Interaktion mit Nukleotiden zu erfassen, in der Hoffnung, die Komplexität der RNA-Polymerase-Funktion zu entschlüsseln und zu einem umfassenderen Verständnis der Genexpression beizutragen.

Durch das Verständnis der detaillierten Mechanismen der menschlichen Pol II können Forscher nun außerdem die Entwicklung von Molekülen erforschen, die virale und bakterielle Polymerasen hemmen und gleichzeitig schädliche Wechselwirkungen mit menschlichen Polymerasen reduzieren könnten. Dies ist insbesondere im Bereich der Arzneimittelforschung von Bedeutung, wo das Ziel darin besteht, Arzneimittel zu entwickeln, die gegen Krankheitserreger wirksam, aber für menschliche Zellen ungefährlich sind.

„Diese Strukturen erweitern nicht nur unser Verständnis der Funktionsweise der menschlichen RNA-Polymerase, sondern bieten auch eine Grundlage für die Entwicklung selektiverer antiviraler Medikamente mit weniger Nebenwirkungen“, sagte Cohen.