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Forschungsbereich C: Dynamik von RNA-Protein-Komplexen

Die Bedeutung von Ribonukleinsäure, RNA, wurde im Laufe der letzten Jahre neu definiert, da zunehmend klar wurde, dass RNA neben der Übersetzung des genetischen Codes in die Aminosäuresequenz der Proteine viele andere lebens-wichtige Funktionen in der Zelle erfüllt.

Die Entdeckung verschiedener Arten von nicht-kodierenden und regulierenden RNA-Elementen zeigte, dass RNA nicht nur ein passiver Informationsträger ist, sondern sehr stark in das Zellgeschehen eingreift. Um diese Wechselwirkungen und Dynamik zu entschlüsseln, muss die Struktur und Funktionsweise dieser RNA-Elemente verstanden werden.

In der ersten Förderphase des CEF ist es uns gelungen, mit Hilfe des exzellenten in Frankfurt zur Verfügung stehenden Methodenspektrums die strukturelle Dynamik mehrerer solcher RNA-Elemente zu bestimmen. Mittels LILBID-Massenspektrometrie und magnetischer Kernspin-Resonanzspektroskopie wurde zum Beispiel die Zusammensetzung und Struktur des HIV TAR RNA-Liganden-Komplexes analysiert und die Komplexität der Peptid-Bindungsstellen der RNAs beschrieben.

Ein weiteres Beispiel ist die Analyse der Flexibilität von RNAs mit Hilfe der Elektronenspin-Resonanzspektroskopie-Methode PELDOR nach basen-spezifischem Spin-Labeling. RNAs kommen in der Regel nicht isoliert vor, sondern als Komplexe mit verschiedenen Proteinen. Diese Ribonukleinsäure-Protein-Komplexe, kurz RNPs genannt, erfüllen eine ganze Bandbreite essentieller Funktionen in der Zelle.

Das bekannteste Beispiel eines RNPs ist das Ribosom, an dem die Übersetzung des genetischen Codes in Proteine stattfindet. Das Ribosom gehört zu den kompliziertesten Reaktionszentren der Zelle. Bei seiner Montage müssen eine Vielzahl dynamischer Prozesse präzise geregelt ablaufen. Das gleiche gilt für die Funktionsweise des Ribosoms. Auch hier wird höchste Präzision benötigt.

Wir untersuchen die hochkomplexen faszinierenden Wechselwirkungen zwischen der RNA und den Proteinen, die dabei entstehenden Modifikationen und wie die Qualitätskontrolle abläuft. Viele Funktionen von RNPs sowie die Verteilung von RNA innerhalb der Zelle werden von RNA-Elementen gesteuert, über die bisher noch wenig bekannt ist. Wir arbeiten daran, diese RNA-Elemente und ihre Dynamik besser zu verstehen. Besonders interessiert uns, wie die Konzentration von RNA und Proteinen in verschiedenen Abschnitten der Zelle reguliert wird, welche Mechanismen dabei im Spiel sind und inwieweit sie sich in verschiedenen Zellen unterscheiden.

RNA-Elemente beeinflussen nicht nur die Aktivität von RNPs, sondern erfüllen weitere Funktionen in der Zelle. Beispiel für diese nicht-kodierenden RNAs sind Riboswitches, die in der Genregulation eine Rolle spielen, und microRNAs, die der Regulation zellulärer Prozesse dienen. Diese RNAs werden von uns unter-sucht, um das gesamte Bild der RNA und RNP-Dynamik innerhalb der Zelle besser zu verstehen.