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Juni 2009 | Johann Holzmann

Archiv

Mag. Dr. Johann Holzmann

Johann Holzmann

MUW RESEARCHER OF THE MONTH, Juni 2009

Die Jury „Researcher of the Month“ verleiht die Auszeichnung für diesen Monat Herrn Mag. Dr. Johann Holzmann aus Anlass der Publikation „RNase P without RNA: Identification and Functional Reconstitution of the Human Mitochondrial tRNA Processing Enzyme“, erschienen in dem Top-Journal Cell (IF 29.887) im Oktober 2008 [1]. Diese Arbeit entstand in der Arbeitsgruppe von Prof. W. Rossmanith am Zentrum für Anatomie und Zellbiologie. In seiner Ausgabe vom November 2008 hat die Zeitschrift „Nature“ diese Publikation als „Molecular Biology Research Highlight“ ausgewählt.

RNase P ohne RNA – die Evolution von RNA- zu Protein-basierender Katalyse

Ribonuclease P (RNase P) ist ein essentielles Enzym der tRNA (transfer-RNA)-Biogenese und dabei für das Entfernen der 5’-überhängenden Se-quenzen von tRNA-Vorstufen verantwortlich. Die Evolution der RNase P-Enzymfamilie ist anscheinend einzigartig. Bakterielle RNase P besteht aus einer RNA-Komponente und einem kleinen Protein. Die RNA ist der kataly-tische Bestandteil des Enzyms und unter bestimmten Bedingungen sogar alleine enzymatisch aktiv. Die Entdeckung dieses ersten RNA-Enzyms (Ri-bozym) vor 25 Jahren war damals sensationell, aber auch bei allen anderen näher untersuchten RNase P-Enzymen wurde in Folge eine RNA-Komponente identifiziert, und die RNase P-Familie gilt gleichsam als Relikt einer präbiotischen „RNA-Welt“. Allerdings scheint innerhalb der Familie ein evolutionärer Trend zu einem zunehmend größeren Protein-Anteil vorzulie-gen; findet man bei Bakterien nur ein Protein, so sind es bei Archaeen 4, und bei Eukaryoten etwa 10 Proteine. Bereits Ende der 80er- (Chloroplas-ten) bzw. Anfang der 90er-Jahre (tierische Mitochondrien) wurde auch erstmals die Existenz einer ausschließlich aus Proteinen aufgebauten RNa-se P postuliert. Da aber niemand die molekularen Bestandteile dieser „RNA-freien“ Enzyme identifizieren konnte, wurde deren Existenz allgemein bezweifelt, und es herrschte die Ansicht vor, dass es sich bei RNase P-Enzymen generell um Ribozyme handelt.

Durch eine „Partial Purification Overlap Proteomics (PPOP)“ genannte Strategie gelang es jetzt, die molekularen Komponenten eines solchen äußerst fragilen RNA-freien RNase P Enzyms zu identifizieren. Anstatt einer Reinigung des Enzyms zur Homogenität wurden verschiedene Teilreinigungen der mitochondrialen RNase P hergestellt, deren Proteinzusammensetzung durch Massenspektrometrie ermittelt wurde. Aus den Proteinen, die in allen Teilreinigungen (Overlap) gefunden wurden, wurden mittels Bioinformatik „Kandidaten“ ausgewählt, welche mit einem „Tag“ zur Affinitätschromatographie versehen in humanen Zellen exprimiert und anschließend gereinigt wurden. Eines der Kandidaten-Proteine war nach Affinitätsreinigung reproduzierbar mit RNase P Aktivität assoziiert und wurde MRPP1 (Mitochondrial Ribonuclease P Protein 1) genannt. Die nähere Charakterisierung von MRPP1 führte zur Identifizierung von 2 weiteren Bestandteilen mitochondrialer RNase P (MRPP2 und MRPP3), und RNA-Interferenz-Experimente bestätigten deren Rolle bei der mitochondrialen tRNA-Reifung. Durch Rekonstituieren der Enzymaktivität aus diesen 3 Proteinen konnte außerdem bewiesen werden, dass humane mitochondriale RNase P tatsächlich, wie schon Mitte der 90er-Jahre postuliert, ausschließlich aus Proteinen besteht. Die RNase P-Familie repräsentiert damit heute exemplarisch verschiedene Stufen des evolutionären Übergangs von RNA- zu Protein-basierender Ka-talyse.

Mitochondriale RNase P hat sich aber nicht aus dem Protein-Anteil ihres RNA-basierten Vorläufers entwickelt, sondern ist offenbar parallel zu die-sem entstanden und hat ihn schließlich ersetzt. Dazu wurden Komponenten aus verschiedenen biochemischen Stoffwechselwegen herangezogen, deren ursprüngliche Funktion dabei aber erhalten blieb. So ist MRPP1 auch an der Methylierung von tRNAs beteiligt und MRPP2 als Dehydrogenase verschiedener kurzkettiger Fettsäuren, Steroide und Alkohole aktiv. Die dritte, vermutlich hydrolytisch-aktive Komponente der mitochondrialen RNase P, MRPP3, stammt aus einer neuen bisher nicht untersuchten Genfamilie. Überraschenderweise könnte die mitochondriale RNase P auch ursächlich an der Pathogenese der Alzheimer’schen Erkrankung beteiligt sein. MRPP2 ist nämlich schon länger unter anderem Namen als Mediator der Amyloid-beta induzierten Mitochondrien-Fehlfunktion im Gespräch, der genaue Mechanismus dieser zytotoxischen Interaktion ist allerdings bisher nicht bekannt. MRPP2s Rolle als Komponente mitochondrialer RNase P könnte der gesuchte Schlüssel sein.

Wissenschaftliches Umfeld
Die Arbeitsgruppe von Prof. W. Rossmanith am Zentrum für Anatomie und Zellbiologie, in der Dr. Holzmann dissertierte, beschäftigt sich mit der Bio-genese und Funktion von Mitochondrien, sowie deren Funktionsstörungen bei verschiedenen Erkrankungen. Im Brennpunkt der Forschung stehen unter anderem die Reifung mitochondrialer tRNAs und die molekularen Konsequenzen pathogener Mutationen in denselben. Dr. Holzmanns Dissertation wurde durch ein vom Fond zur Förderung der Wissenschaftlichen Forschung (FWF) gefördertes Projekt finanziert. Im Rahmen des Projekts bestanden Kooperationen mit Prof. P. Frank und Prof. Ch. Gerner vom Institut für Krebsforschung der MUW.

Persönliches
Dr. Holzmann wurde 1977 in Innsbruck geboren und maturierte 1998 an der HTL für Nachrichtentechnik und Elektronik in Innsbruck mit Auszeich-nung. 2004 schloß Dr. Holzmann das Studium der Ernährungswissenschaf-ten ab, welches er durch ein Teilstudium der Molekularen Biologie ergänz-te. Seine Diplomarbeit „Assorted effects of TGFbeta and chondroitinsulfate on p38 and ERK1/2 in human chondrocytes“ führte Dr. Holzmann im Labor von Prof. M. Hüttinger am Institut für Medizinische Chemie der MUW durch, und gemeinsam mit Prof. Hüttinger liest Dr. Holzmann seit seiner Zeit als Diplomand die Vorlesung „Molekulare Genetik für Ernährungswissenschafter“ an der Universität Wien. Von 2004 bis 2008 arbeitete Dr. Holzmann in der Arbeitsgruppe von Prof. W. Rossmanith am Zentrum für Anatomie und Zellbiologie der MUW an seiner Dissertation „Identification and Characterization of Human Mitochondrial RNase P“. Derzeit ist Dr. Holzmann Postdoc am Institut für Molekulare Pathologie und beschäftigt sich mit der Massenspektrometrie von Proteinen.

Ausgewählte Literatur

  1. Holzmann J, Frank P, Löffler E, Bennett KL, Gerner C, Rossmanith W. RNase P without RNA: identification and functional reconstitution of the human mitochondrial tRNA processing enzyme. Cell. 2008 Oct 31;135(3):462-74.

Kontakt
Mag. Dr. Johann Holzmann
Zentrum für Anatomie und Zellbiologie, MUW
Dzt.:
Research Institute of Molecular Pathology (IMP)
Dr. Bohr-Gasse 7
1030 Wien

T.: +43 (0)1 797 30 4295
johann.holzmann@imp.ac.at