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Exakte Pol(e)-Position – wo die Polymerase genau verändert wird

Neuherberg, 21. Januar 2016. Wissenschaftler des Helmholtz Zentrums München haben gemeinsam mit Kollegen der Ludwig-Maximilians-Universität München eine Methode zur umfassenden Analyse von Proteinmodifikationen entwickelt. Dabei kartierten sie die Phosphorylierungsstellen des Enzyms RNA Polymerase II, das für die Abschrift unserer Gene verantwortlich ist. Die Ergebnisse wurden nun im Fachjournal ‚Molecular Cell‘ publiziert.

Schaubild Pol2

Die carboxyl-terminale Domäne (CTD) der RNA Polymerase II (Pol II) besteht aus einer hoch repetitiven Sequenz die insgesamt 240 verschiedene mögliche Phosphorylierungsstellen enthält. Das Phosphorylierungsmuster der CTD ist dynamisch und dient als Bindungsplattform für Proteine die den Transkriptionszyklus von Genen und die Reifung der mRNA regulieren. Die Herstellung von genetisch veränderten CTD Varianten ermöglicht eine genaue massenspektrometrische Analyse jeder einzelnen Phosphorylierungsstelle innerhalb der CTD. Diese neue Methode erlaubt die Untersuchung von Veränderungen im CTD Phosphorylierungsmuster, die durch die enzymatische Aktivität von Kinasen/Phosphatasen nach An- und Abschalten von Signaltransduktionswegen ausgelöst werden. Quelle: Helmholtz Zentrum München

Die Inhalte in unserem Erbgut sind eigentlich stumm (das heißt inaktiv) und müssen erst zum „Sprechen“ gebracht werden. Wie der Lesekopf in einem Tonbandgerät fährt die RNA Polymerase II, kurz Pol II, über die DNA (Tonband) und übersetzt die genetische und epigenetische Information in RNA. Damit das Enzym aber nicht wahllos arbeitet, wird es an vielen unterschiedlichen Stellen dynamisch modifiziert, um seine Aktivität situationsbedingt zu steuern.

„An 240 verschiedenen Stellen der Pol II kann durch Phosphorylierung auf die Aktivität dieses Enzyms Einfluss genommen werden“, erklärt Prof. Dirk Eick, Letztautor der Studie und Leiter der Abteilung Molekulare Epigenetik am Helmholtz Zentrum München. Gemeinsam mit Kollegen des Biomedizinischen Zentrums und Genzentrums der Ludwig-Maximilians-Universität München und des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie in Göttingen haben er und sein Team nun eine Methode entwickelt, um alle 240 Stellen in der Pol II zeitgleich zu untersuchen.

„Der Trick ist eine Kombination von genetischen und massenspektrometrischen* Methoden“, verrät Erstautor Dr. Roland Schüller. „Indem wir genetisch veränderte Varianten der betreffenden Regionen herstellen, können wir jede einzelne Phosphorylierungsstelle per Massenspektrometer untersuchen.“ Das erlaubte den Forschern nun, exakt festzustellen an welcher Position bestimmte Enzyme, die die Phosphorylierung beeinflussen, genau wirken. Darüber hinaus war es den Wissenschaftlern möglich, die Pol II Modifikationsmuster beim Menschen und bei der Hefe zu vergleichen.

„Die Regulation der Transkription von Genen durch Pol II ist ein elementarer Prozess des Lebens und jedwede Abweichungen in der Genregulation sind die Grundlage vieler menschlicher Erkrankungen“, ordnet Studienleiter Eick die Arbeit ein. „Die Erforschung der Phosphorylierungsmuster zu bestimmten Zeitpunkten während des Transkriptionszyklus ist daher eine Voraussetzung, um in Zukunft die grundlegenden Mechanismen der Genregulation auf Transkriptionsebene zu verstehen.“

Weitere Informationen

Hintergrund
* Die Massenspektrometrie ist ein Verfahren, was es erlaubt die Masse von winzigen Molekülen zu bestimmen. Dazu wird die zu untersuchende Substanz in die Gasphase überführt und elektrisch aufgeladen. Durch diese Ladung können die Moleküle (oder kleinere Fragmente) durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden, an dessen Ende ihr eintreffen gemessen wird. Jedes Molekül hat abhängig von der Masse eine ihm eigene Flugzeit nach der man die Substanzen sortieren kann.

Original-Publikation:
Schüller, R. et al. (2015). Heptad-specific Phosphorylation of RNA Polymerase II CTD, Molecular Cell, DOI: 10.1016/j.molcel.2015.12.003


Das Helmholtz Zentrum München verfolgt als Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt das Ziel, personalisierte Medizin für die Diagnose, Therapie und Prävention weit verbreiteter Volkskrankheiten wie Diabetes mellitus und Lungenerkrankungen zu entwickeln. Dafür untersucht es das Zusammenwirken von Genetik, Umweltfaktoren und Lebensstil. Der Hauptsitz des Zentrums liegt in Neuherberg im Norden Münchens. Das Helmholtz Zentrum München beschäftigt rund 2.300 Mitarbeiter und ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der 18 naturwissenschaftlich-technische und medizinisch-biologische Forschungszentren mit rund 37.000 Beschäftigten angehören.

Die Abteilung Molekulare Epigenetik (MEG) erforscht Mechanismen der Epigenetik für die Genregulation. Unter Epigenetik versteht man eine individuelle Modifikation der DNA, die zur Ausprägung eines Phänotyps führt, ohne dabei das Erbgut, also den Genotyp, zu verändern. Ziel ist es, ein besseres Verständnis der Epigenetik zu erlangen und ihre Rolle bei der Entstehung von Erkrankungen aufzuklären. 

Die LMU ist eine der führenden Universitäten in Europa mit einer über 500-jährigen Tradition. Sie bietet ein breites Spektrum aller Wissensgebiete – die ideale Basis für hervorragende Forschung und ein anspruchsvolles Lehrangebot. Es reicht von den Geistes- und Kultur- über Rechts-, Wirtschafts- und Sozialwissenschaften bis hin zur Medizin und den Naturwissenschaften. 15 Prozent der 50.000 Studierenden kommen aus dem Ausland – aus insgesamt 130 Nationen. Das Know-how und die Kreativität der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bilden die Grundlage für die herausragende Forschungsbilanz der Universität. Der Erfolg der LMU in der Exzellenzinitiative, einem deutschlandweiten Wettbewerb zur Stärkung der universitären Spitzenforschung, dokumentiert eindrucksvoll die Forschungsstärke der Münchener Universität.

Fachlicher Ansprechpartner
Prof. Dr. Dirk Eick, Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt (GmbH), Abteilung Molekulare Epigenetik, Marchioninistraße 25, 81377 München - Tel.  +49 89 3187 1512 -