Ringförmiger Proteinkomplex wickelt DNA ab

Biophysiker der Rice University haben eine neue Theorie der Zellmechanik, die wahr klingt.

Das Reislabor von José Onuchic hat die Struktur des Kondensin-Protein-Komplexes bestimmt. Die Arbeit klärt die Kontroverse darüber, ob es sich bei dem Komplex um einen einzelnen Ring handelt, der zwei doppelte DNA-Stränge Lassos oder eine molekulare „Handschellen“ aus zwei miteinander verbundenen Ringen, die jeweils einen Doppelstrang krümmen.

Das Team um die Postdoc-Forscherin Dana Krepel nutzte eine Reihe modernster Analysetools, um den Anruf zu tätigen: Es ist ein einzelner Ring.

Ihre Arbeit ist der erste Schritt zum Verständnis der Aktivität von Proteinen über die Struktur von Chromosomen während der Mitose und aller Phasen des Zelllebenszyklus. Dieses Verständnis wird den Wissenschaftlern helfen zu lernen, wie man genetische Krankheiten, einschließlich Krebs, besser behandeln kann.

Die Ergebnisse der zweijährigen Studie des Rice Teams erscheinen in den Proceedings of the National Academy of Sciences.

Condensin tut, was das Wort sagt: Es hilft, die Chromosomen in den Zellkern zu kondensieren. Neuere Forschungen haben gezeigt, dass Kondensin und sein Proteinpartner Kohesin DNA extruieren. Bislang hat sich jedoch noch niemand darauf geeinigt, wie Kondensinproteine in ihren Funktionsformen zusammenkommen.

Krepel begann ihre Analyse mit bakteriellen Kondensinkomplexen, die aus fünf Untereinheiten bestehen, darunter zwei strukturelle Aufrechterhaltung von Chromosomen (SMC)-Proteinen, die als Scharnier zusammenkommen, und lange Kleisinproteine, die den Rest des Rings ausmachen. Komplexe in menschlichen eukaryontischen Kernen – ein Ziel für zukünftige Analysen – ähneln ihren archaischeren Gegenstücken.

Krepel stellte das Puzzle zusammen, indem er vorhandene Daten über die Atomstrukturen und Gensequenzen der einzelnen Proteine kombinierte und verglich. Die Strukturen stammen aus der verfügbaren Röntgenkristallographie von Proteinfragmenten und Sequenzinformationen durch Direct Coupling Analysis (DCA), einem von Onuchic und seinen Kollegen im Jahr 2011 eingeführten statistikbasierten Programm, das Aminosäurereste in ko-evolvierenden Proteinen vergleicht.

„Wir haben DCA verwendet, um aus sich entwickelnden Aminosäurepaaren zu schließen, und wir hatten kleine Stücke von Proteinfragmenten aus Experimenten“, sagte Krepel. „Das war ein guter Ausgangspunkt, und dann mussten wir sie wie ein Puzzle zusammensetzen. Wir wollten eine vollständige Struktur bekommen und den Konflikt darüber lösen, ob es sich um einen Einzel- oder Doppelring handelt.“

Zu wissen, wie sich Proteine zusammen entwickeln, war entscheidend. „Dies ist ein modularer Mechanismus aus vielen Proteinen“, sagt Rice, Postdoc-Forscher und Co-Autor Michele Di Pierro. „Es ist einfacher, ein Protein zu kristallisieren, aber es ist sehr schwierig, die Struktur dieses gesamten Komplexes herauszufinden. Deshalb war es ideal, sich die Koevolution anzusehen, die es uns ermöglicht, Informationen über den Komplex zu erhalten, auch wenn wir die Struktur nicht haben.“

„Bei der Koevolution geht es im Grunde genommen um natürliche Selektion“, fügte Ryan Cheng hinzu, ebenfalls Postdoc und Co-Autor der Arbeit. „Wenn Sie zufällige Mutationen erhalten, müssen bestimmte Wechselwirkungen erhalten bleiben, um die Funktion dieses Komplexes zu erhalten.“

„Wir erwarten, dass sich diese beiden Rückstände, wenn sie zusammenkommen und übereinstimmen, gemeinsam weiterentwickeln werden“, sagte Onuchic. „Wenn dieser eine Mutation macht und eine schlechte Reaktion zeigt, muss der andere kompensieren. Dana fragte, ob wir diese Sequenzinformationen mit kleinen Kristallstrukturen zusammenbringen und diese gigantischen Strukturen bestimmen können, und es stellte sich heraus, dass wir es können.“

Onuchics Gruppe am Rice’s Center for Theoretical Biological Physics (CTBP) hat eine Reihe von Artikeln veröffentlicht, die ihre Theorien über die Proteinfaltung auf das viel größere Genom ausweiten. Er erwartet, dass die laufenden Arbeiten die Mechanismen des Kondensats schließlich aufdecken werden. „Diese Dinge müssen die Chromosomen verdichten“, sagte er. „Die Leute wissen das. Aber niemand weiß, wie sie es machen.“

Onuchic sagte Studien durch andere schlagen vor, dass das flexible Scharnier helfen kann, den Ring zu öffnen und zu schließen und als ein Tor dient, das DNA-Stränge innen und außen erlaubt, ein Prozess, der auch durch die Reisstudie angedeutet wird. Aber ohne die Position jedes Moleküls im Komplex zu kennen, gibt es keine Möglichkeit, seine Funktion und Dynamik vollständig zu verstehen.

„Wir wissen, dass der Kondensinkomplex beteiligt ist, denn wenn man ihn entfernt, kommt es nicht zu Mitose“, sagte er. „Aber niemand versteht den Mechanismus. Jetzt, da wir diese Struktur haben, haben wir die erste Chance, die molekularen Details zu verstehen.“

Mehr Informationen:
Dana Krepel et al. Deciphering the structure of the condensin protein complex, Proceedings of the National Academy of Sciences (2018). DOI: 10.1073/pnas.1812770115

Teilen Ist Liebe! ❤

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

shares