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Mehr als nur die Summe

(17.11.2020) Die Funktion von Biomolekülen hängt von ihrer Struktur ab. Diese lässt sich mit Röntgen­kristallografie, NMR und Kryo-Elektronen­mikroskopie lösen.
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Strukturmodell von Komplex I der Atmungskette in Mitochondrien

Strukturbiologen leben in einer spannenden Zeit. Denn heute stehen ihnen Methoden zur Verfügung, mit denen sie den Aufbau und die Funktions­weise zellulärer Moleküle in einer Geschwin­digkeit und Genauigkeit untersuchen können, von der sie vor wenigen Jahren noch nicht einmal zu träumen gewagt hätten. Quasi live kann man das gerade am SARS-CoV-2-Virus mitverfolgen. In der Protein­datenbank (PDB) findet man Struktur­bilder des Virus und seiner Bestandteile, die mit Röntgen­kristallo­grafie (X-Ray), Kernspin­resonanz­spektroskopie (NMR) und Kryo-Elektronen­mikroskopie (Kryo-EM) rekonstruiert wurden.

Diese drei Methoden sind die Arbeits­pferde der Struktur­biologen, um Form, Größe, atomaren Aufbau und Mecha­nismen von Proteinen und Komplexen aufzuklären. Obwohl viele Anwender nur eine dieser Methoden favorisieren, hört man in der Struktur­biologen-Szene immer mehr Stimmen, die die Komple­mentarität dieser drei Techniken betonen. Ein Parade­beispiel für ihr erfolg­reiches Zusammen­spiel ist die Aufklärung von Struktur und Mechanismus des Spleißosoms. Dieser molekulare Komplex schneidet im Zellkern Introns aus prä-mRNA-Molekülen heraus und verbindet die verbleibenden Exons miteinander.

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Forscherleben für das Spleißosom

Wie man die Struktur dieses Multi-Protein-RNA-Komplexes nach und nach enthüllte, kann Reinhard Lührmann erzählen. Er gilt als der weltweit vielleicht beste „Spleißosom-Versteher“ und verbrachte fast sein ganzes Forscher­leben mit diesem Komplex. Lührmann arbeitete viele Jahre am Max-Planck-Institut für biophysi­kalische Chemie in Göttingen und hat dort noch immer eine Emeritus-Gruppe. „Das Spleißosom besteht aus über hundert Proteinen und fünf kleinen snRNA-Molekülen. Etwa 50 Proteine bilden mit den snRNAs Partikel namens U1- und U2-snRNP sowie U4/U6.U5-tri-snRNP. Überra­schenderweise existieren Spleißosomen nicht als vorgefertigte Maschinen, sondern werden an jedem Intron aus den einzelnen Bausteinen neu zusammen­gesetzt, wobei sie sukzessive eine Vielzahl verschiedener struktureller und funktio­neller Stadien durchlaufen. Dabei ändert sich die bioche­mische Zusammen­setzung des Spleißosoms kontinuierlich, was eine enorme Heraus­forderung für die Struktur­biologie ist. Wenn man die Struktur des Spleißosoms verstehen will, reicht es nicht, einen einzigen spleißo­somalen Komplex zu analysieren – man muss alle Zwischen­zustände des Spleißosoms strukturell aufklären, die es während der Phasen des Assemblies, der katalytischen Aktivierung, der katalytischen Phase und des Disassemblies durchläuft.“ Dafür waren Röntgen­kristallografie, NMR und Kryo-EM gemeinsam im Einsatz.

Nachdem die ersten Proteine sequenziert waren, begann man in den Neun­zigerjahren mit Kristallo­grafie und NMR, die Struktur einzelner Protein­domänen aufzuklären – später auch von größeren Proteinen sowie Protein-RNA-Komplexen. Die snRNPs stellten die Forscher allerdings auf eine harte Probe. Sie sind mit etlichen Hundert Dalton viel zu groß, um sie im NMR zu analysieren. Und bis auf eine Ausnahme, das U1snRNP, gelang es auch niemandem, sie zu kristallisieren.

Auflösungs-Revolution

Kryo-EM war damals auch nicht erfolgreich, weil man die Zwischen­zustände mit prä-mRNAs in vitro assemblieren lassen musste. Daraus aber konnte man nicht genug Material für die Mikroskopie isolieren. Lührmann: „Erst in den Nullerjahren gelang es uns mit Holger Stark, die 3D-Struktur mehrerer spleißo­somaler Snapshots und des tri-snRNPs bei niedriger Auflösung in den Grundzügen zu beschreiben. Mit der Entwicklung von direkten Detektoren, die die zuvor genutzten Kameras ablösten, und mit Unter­stützung von sehr effizienten Maximum-Likelihood-Bildverar­beitungs­programmen setzte dann in den ersten Jahren dieses Jahrzehnts eine Revolution in der Auflösung ein.“

Innerhalb von nur fünf Jahren wurden hoch­aufgelöste 3D-Strukturen aller snRNPs und der wichtigsten spleißo­somalen Zwischen­zustände des menschlichen und des Hefe-Spleißosoms publiziert – im Wesentlichen von drei Arbeits­gruppen in Peking, Cambridge und Göttingen.

„Damit ist ein lange gehegter Traum von mir, dem Spleißosom bei der Arbeit zuschauen zu können, erfüllt worden“, sagt Lührmann. „Während unsere früheren bioche­mischen Unter­suchungen die kompositionelle Dynamik des Spleißosoms deutlich gemacht hatten, haben die Kryo-EM-Strukturen der diversen spleißo­somalen Komplexe jetzt offenbart, wie dramatisch die Dynamik der Struktur­umlagerungen des Spleißosoms beim Übergang von einem Zustand zum nächsten sein kann. So können mehrere große Struktur­elemente des Spleißosoms sukzessive Trans­lokations-Bewegungen von mehr als 20 Nanometern durchlaufen. Ein Prinzip, das von anderen molekularen Maschinen wie beispiels­weise dem Ribosom nicht bekannt ist.“

Pro und Contra

Jede der genannten Methoden hat ihre Vor- und Nachteile, ihre glühenden Verfechter und ebenso rigorosen Kritiker. Manche Forscher aber machen sich für die Kombination der Methoden stark. Alles in allem scheint es, dass die Kombination aus Röntgen­strukturanalyse, Kryo-EM und NMR mehr wert sein könnte als ihre bloße Summe. Denn jede dieser Methoden beschreibt ein Molekül aus einer anderen Perspektive, mit unter­schiedlichen Details und Genauigkeit. Das sollte man sich zunutze machen.

Karin Hollricher

Bild: Gruppe Sazanov

Dieser hier gekürzte Artikel erschien in ausführlicher Form zuerst in Laborjournal 11/2020. In diesem Heft erfahren Sie noch viel mehr zum Thema „Strukturanalyse von Biomolekülen“.




Letzte Änderungen: 17.11.2020

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