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Enzymatischer Mechanismus entschlüsselt

Erkenntnisse an den MFPL: Enzym Bre1 „schießt“ mit Protein Ubiquitin auf Nukleosom
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(Wien, 12. September 2016) Die Forschungsgruppe um Alwin Köhler an den Max. F. Perutz Laboratories (MFPL) der MedUni Wien und der Universität Wien hat einen „Mordfall“ untersucht, bei dem ein „Molekulargeschoss“ mit der Bezeichnung Ubiquitin im Mittelpunkt stand. Dieses äußerst vielseitige Protein wird in vielen „Zellgeschossen” für Signalisierungszwecke verwendet, einschließlich dem Nukleosom. In einem Beispiel wird Ubiquitin während des Transkriptionsprozesses auf einen bestimmten Nukleosomrückstand „geschossen”, was etwa der Abgabe eines Schusses bei der Fahrt in einem Zug entspricht. Bei dem mutmaßlichen Mörder, der das Ubiquitin-Geschoss abfeuert, handelt es sich um ein Enzym namens Bre1. 

Im Menschen gibt es etwa 20.000 Gene, die Proteine verschlüsseln, wobei in einer bestimmten Zelle jedoch nur eine geringe Zahl aktiviert ist. Zur Regelung der genetischen Informationen hat die Natur ein kompliziertes System entwickelt, das den Zugriff auf bestimmte Gene erleichtert. Dabei verlässt sie sich auf ein DNA-Histon-Proteinkomplex, der als Nukleosom bezeichnet wird. Dieser verpackt die genetischen Informationen wirksam in eine Faser namens Chromatin, die sich bei Veränderung öffnen und schließen und Gene so aktivieren oder ruhigstellen kann. Zahllose menschliche Krankheiten sind mit Mutationen, Verlust und fehlgeleiteter Regelung von Genen verknüpft. Es ist deshalb von entscheidender Bedeutung, die Chromatin-Biologie zu verstehen.

Das „Verbrechen“ (Histon H2B-Ubiquitinierung an Lysin 123) ist bereits im Jahr 1980 beschrieben worden; der molekulare Mechanismus blieb jedoch bislang ungeklärt. Die Gruppe um Alwin Köhler konnte in ihrer aktuellen Veröffentlichung in PNAS nun nachweisen, wie Bre1 (der „Mörder“) das Nukleosom (das „Opfer“) erkennt, wie Bre1 auf das Herz des Opfers (Histon H2B Lysin 123) zielt und wie das Geschoss (Ubiquitin) mit einer derartigen Präzision abgefeuert wird. Dieses mechanistische Verständnis war das Ergebnis von Vernetzungs- und Massenspektrometrie-Studien, die die biochemische Erfassung der flüchtigen Wechselwirkung zwischen Bre1 und dem Nukleosom sowie die Aufklärung der präzisen Topologie an der Schnittstelle ermöglichte.

Fußabdrücke an einem Tatort können Rückschlüsse auf Richtung, Geschwindigkeit, Anzahl und Geschlecht von Personen sowie über den Umstand zulassen, ob die Person weiß, dass sie verfolgt wird. Das Enzym Bre1 hat am „Tatort“ einen ganz bestimmten Fußabdruck hinterlassen. Den Ermittlern gelang es dadurch, genau nachzuvollziehen, wie das Geschoß in das Herz des Opfers abgefeuert wurde – oder um es wissenschaftlich auszudrücken: Der enzymatische Mechanismus der Reaktion. Neben der Aufnahme des Fußabdrucks durch Vernetzung und Massenspektrometrie war diese Rekonstruktion das Ergebnis einer akribischen Nachstellung des „Verbrechens“. Laura Gallego, Doktorandin und Erstautorin der Studie, erläutert, dass die biochemische Nachstellung des enzymatischen Mechanismus mit aufbereiteten Proteinbestandteilen den Engpass bei der gesamten Untersuchung darstellte. Diese Nachstellung ermöglicht dem Team die Bestimmung, was notwendig und ausreichend für das Geschehen der Tat war und was nur außerhalb der komplizierten Umgebung der Zelle erfolgen konnte. Die enge Zusammenarbeit mit anderen ExpertInnen am Münchener Genzentrum, am benachbarten Institut für Molekulare Pathologie, an den Max F. Perutz Laboratories und dem Howard Hughes Institute an der University of Washington in Seattle (USA) war entscheidend für den Erfolg der Untersuchung.

Die Auflösung der Mechanismen, die hinter dem perfekten Ubiquitin-Schuss auf das Nukleosom stehen, ist ein wichtiger Schritt nach vorn, doch damit ist der Fall noch nicht gelöst. Wahrscheinlich helfen dem Bre1 noch weitere „Komplizen“, sodass das Team beim Chromatin jetzt nach weiteren aufschlussreichen Fußabdrücken sucht.

Structural mechanism for the recognition and ubiquitination of a single nucleosome residue by Rad6–Bre1
Laura D. Gallego, Medini Ghodgaonkar Steger, Anton A. Polyansky, Tobias Schubert, Bojan Zagrovic, Ning Zheng, Tim Clausen, Franz Herzog und Alwin Köhler
PNAS 2016; veröffentlicht vor Drucklegung am 6. September 2016, doi:10.1073/pnas.1606863113