SFB 638:  Dynamik makromolekularer Komplexe im biosynthetischen Transport

• Fachliche Zuordnung: Biologie
• Förderung: Förderung von 2004 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5485988

• Erstellungsjahr: 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Eine lebendige Zelle besteht aus Membranen zur Abgrenzung gegen ihre Umwelt und zur Bildung von Abteilungen im Zellinneren, sowie aus Protein- und Nucleinsäurebausteinen. Viele dieser Bausteine bilden molekulare Maschinen, indem sie sich zu funktionellen übergeordneten Strukturen zusammenlagern. Eine lebendige Zelle könnte durch die zeitlich und räumlich abgestimmte Bildung von inneren Abteilungen und übergeordneten molekularen Maschinen, hauptsächlich Proteinkomplexen, definiert werden. Auf unserem Weg, Funktionen solcher makromolekularer Strukturen zu erforschen, haben wir durch das Studium der Dynamik von Komplexen, die in intrazelluläre Transportprozesse involviert sind, schönen Fortschritt erzielt. Wir hatten uns auf Mechanismen spezialisiert, die dem Transport zwischen Kern und Zytoplasma (Bereich B) und dem biosynthetischen Transport vom Ribosom zum Endomembransystem (Bereich A) zugrunde liegen. Dazu machten wir uns das starke Know-how zunutze, das in den Heidelberger Molekularen Lebenswissenschaften zur Verfügung steht. Wir kombinierten grundlegende molekulare Forschung in der Virologie mit biophysikalischen, biochemischen, molekularbiologischen und strukturellen Ansätzen, hauptsächlich in Eukaryonten. Am Beginn unserer Anstrengungen waren zwar viele Einzelbausteine von Transportmaschinen charakterisiert, aber über höhere Aggregate solcher Bausteine und über deren dynamisches Verhalten, d. h. deren funktionelles Interagieren, war nur wenig bekannt. Diese Zusammenfassung beschränkt sich auf zwei Beispiele dafür, wie die strukturelle Analyse höherer Aggregate, kombiniert mit biochemischen Ansätzen, zu neuen und originellen Erkenntnissen geführt hat. Die ca. 30 Einzelkomponenten der Kernpore waren zu Beginn des SFB bekannt, aber ihre Interaktionen miteinander oder mit anderen Partnern waren kaum erforscht. Nun konnten innerhalb des SFB nicht nur große Teilstrukturen der Kernpore rekonstituiert werden und damit eine Basis zur Aufklärung ihrer Struktur bieten, sondern es wurden zusätzlich unerwartete funktionelle Interaktionen entdeckt, die zu neuen Konzepten für den Transport von RNA und zur Biogenese von Ribosomen führten. Ebenso wurden, beruhend auf Studien zur Interaktion des „frühesten“ Chaperons in Bakterien, Trigger Faktor (TF), mit naszierenden Polypeptiden neue Konzepte entwickelt. TF bindet und stabilisiert teilgefaltete Proteindomänen in Bakterien und verhindert Interaktion mit entfernten Partnern. Diese Bindung und Nähe zum Ribosom begrenzen die Anzahl möglicher Proteinkonformationen, wodurch Fehlfaltungen der naszierenden Proteine minimiert werden. Die meisten naszierenden Ketten binden TF, sobald sie eine Länge von 100 Resten erreicht haben. Dies ermöglicht die essentiellen Prozessier-Reaktionen durch Peptid Deformylase und Methionin Aminopeptidase. Studien zur Reifung eines heterodimeren Modelproteins zeigten, daß die Assemblierung der Untereinheiten nahe am Ort ihrer Synthese stattfindet, wo cotranslationale Interaktionen der Ketten stattfinden können. Entsprechend eines im SFB entwickelten Konzepts verlangsamt TF diese cotranslationalen Interaktionen, bis die Dimer-Interaktionsstellen ganz auf der Oberfläche des Ribosomes zugänglich sind. Da die Erforschung makromolekularer Assemblierungen im Zentrum aller Projekte stand, ergaben sich viele und fruchtbare Diskussionen und Zusammenarbeiten und ein intensiver und ungehemmter Austausch von Methoden und Materialen. An dieser Stelle sei jedoch betont, dass etwa die zweite Halbzeit des SFB mit der extrem fruchtbaren Entwicklung der Kryo-Elektronenmikroskopie einherging, und dass die Einbindung und die Zusammenarbeit mit Gruppen auf dem Gebiet der Kryo-EM sich für den wissenschaftlichen Fortschritt des SFB als außerordentlich nützlich erwiesen haben.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2004). Sus1, a functional component of the SAGA histone acetylase complex and the nuclear pore-associated mRNA export machinery. Cell 116, 75-86
  Susana Rodriguez-Navarro, Tamás Fischer, Ming-Juan Luo, Oreto Antunez, Susanne Brettschneider, Jose E. Perez-Ortin, Robin Reed, and Ed Hurt
  
• (2004). Trigger factor in complex with the ribosome forms a molecular cradle for nascent proteins. Nature 431, 590-596
  Ferbitz, L., Maier, T., Patzelt, H., Bukau, B., Deuerling, E., and Ban, N.
  
• (2005). Production of infectious hepatitis C virus in tissue culture from a cloned viral genome. Nat Med. 1(7):791-6. Epub Erratum in: Nat Med. 2005 Aug;11(8):905
  Wakita T, Pietschmann T, Kato T, Date T, Miyamoto M, Zhao Z, Murthy K, Habermann A, Kräusslich HG, Mizokami M, Bartenschlager R, Liang TJ
  
• (2005). The DHHC protein Pfa3 affects vacuole-associated palmitoylation of the fusion factor Vac8. Proc.Natl.Acad.Sci.USA 102, 17366-17371
  Hou, H., Subramanian, K., LaGrassa, T.J., Markgraf, D., Dietrich, L.E.P., Decker, N., and Ungermann, C.
  
• (2005). The vacuolar kinase Yck3 maintains organelle fragmentation by regulating the HOPS tethering complex. J. Cell Biol. 168, 401-14
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• (2005). Transcriptional feedback of Neurospora circadian clock gene by phosphorylation-dependent inactivation of its transcription factor. Cell 122, 235-246
  Schafmeier, T, Haase, A, Káldi, K, Scholz, J, Fuchs, M and Brunner, M
  
• (2006). A selective block of nuclear actin export stabilizes the giant nuclei of Xenopus oocytes. Nat Cell Biol 8, 257-263
  Bohnsack, M.T., Stüven, T., Kuhn, C., Cordes, V.C. and Görlich, D.
  
• (2006). Cell surface heparan sulfate proteoglycans are essential components of the unconventional export machinery of FGF-2. Proc. Natl. Acad Sci. U.S.A. 103:15479-15484
  Christoph Zehe, André Engling, Sabine Wegehingel, Tobias Schäfer, and Walter Nickel
  
• (2006). FG-rich repeats of nuclear pore proteins form a threedimensional meshwork with hydrogel-like properties. Science 314, 815-817
  Frey, S., Richter, R.P. and Görlich, D.
  
• (2007). A saturated FG-repeat hydrogel can reproduce the permeability-properties of nuclear pore complexes. Cell 130(3), 512-23
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• (2008). Structural basis for specific substrate recognition by the chloroplast signal recognition particle protein cpSRP43. Science 321(5886): 253-256
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• (2008). Three-dimensional analysis of budding sites and released virus suggests a revised model for HIV-1 morphogenesis. Cell Host Microbe. 4:592-9
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• (2009). HIV-1 Nef interferes with host cell motility by deregulation of cofilin. Cell Host and Microbe, 6: 174-186
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• (2009). Spatially and kinetically resolved changes in the conformational dynamics of the Hsp90 chaperone machine. EMBO J 28, 602–613
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• (2009). Structural insights into tail-anchored protein binding and membrane insertion by Get3. Proc Natl Acad Sci USA 106(50): 21131-21136
  Bozkurt, G., Stjepanovic, G., Vilardi, F., Amlacher, S., Wild, K., Bange, G., Favaloro, V., Rippe, K., Hurt, E., Dobberstein, B. and Sinning, I.
  
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• (2010)Photoadaptation in Neurospora by competitive interaction of activating and inhibitory LOV domains. Cell 142, 762-772
  Malzahn, E., Ciprianidis S., Kaldi, K., Schafmeier, T. and Brunner, M.
  
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• (2011). Circadian conformational change of the Neurospora clock protein FREQUENCY triggered by clustered hyperphosphorylation of a basic domain. Mol Cell 43, 713-722
  Querfurth, C., Diernfellner, A.C.R., Gin, E., Höfer, T. and Brunner M.
  
• (2011). Coatomer and dimeric ADP ribosylation factor 1 (Arf1) promote distinct steps in membrane scission. J Cell Biol. 194(5):765-77
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• (2011). Insight into structure and assembly of the nuclear pore complex by utilizing the genome of a eukaryotic thermophile. Cell 146, 277-289
  Amlacher Stefan, Sarges Phillip, Flemming Dirk, van Noort Vera, Kunze Ruth, Devos Damien, Arumugam Manimozhiyan, Bork Peer and Hurt Ed
  
• (2011). Selective ribosome profiling reveals the cotranslational chaperone action of trigger factor in vivo. Cell 147, 1295-1308
  Oh, E., Becker, A.H., Sandikci, A., Huber, D., Chaba, R., Gloge, F., Nichols, R.J., Typas, A., Gross, C.A., Kramer, G., et al.
  
• (2011). Structural basis for tail-anchored membrane protein biogenesis by the Get3-receptor complex. Science 333(6043): 758-762
  Stefer, S., Reitz, S., Wang, F., Wild, K., Pang, Y. Y., Schwarz, D., Bomke, J., Hein, C., Lohr, F., Bernhard, F., Denic, V., Dotsch, V. and Sinning, I.
  
• (2012). Dynamics of the regulation of Hsp90 by the co-chaperone Sti1. EMBO J 31, 1518–1528
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• (2012). HIV-1 Nef Interferes With T Lymphocyte Circulation Through Confined Environments in vivo. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 109: 18541–18546
  Stolp, B., Imle, A., Coelho, F.M., Hons, M., Mendiz, R.G., Lyck, R., Stein, J.V. and Fackler, O.T.
  
• (2012). Molecular recognition of a single sphingolipid species by a protein’s transmembrane domain. Nature 481:525-529
  F.-X. Contreras, A.M. Ernst, P. Haberkant, P. Björkholm, E. Lindahl, B. Gönen, C. Tischer, A. Elofsson, G. von Heijne, C. Thiele, R. Pepperkok, F. Wieland, and B. Brügger
  
• (2012). Structure and dynamics of the ATP-bound open conformation of Hsp70 chaperones. Mol Cell 48, 863-874
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• (2012). Structure and dynamics of the ATP-bound open conformation of Hsp70 chaperones. Molecular Cell 48, 863–874
  Kityk, R, Kopp, J, Sinning, I & Mayer, MP
  
• (2012). The structures of COPI-coated vesicles reveal alternate coatomer conformations and interactions. Science 336, 1451-1454
  Faini, M., Prinz, S., Beck, R., Schorb, M., Riches, J.D., Bacia, K., Brügger, B., Wieland, F. T. and Briggs, J.A.G.
  
• (2014). SRP RNA remodeling by SRP68 explains its role in protein translocation. Science 344(6179): 101-104
  Grotwinkel, J. T., K. Wild, B. Segnitz and I. Sinning
  
• (2015). A structure of the COPI coat and the role of coat proteins in membrane vesicle assembly. Science 349, 195-198
  Dodonova, S.O., Diestelkoetter-Bachert, P., von Appen, A., Hagen, W.J.H., Beck R., Beck M., Wieland, F., and Briggs, J.A.G.
  
• (2015). Linker Nups connect the nuclear pore complex inner ring with outer ring and transport channel. Nature Struct. Mol. Biol. 22, 774-81
  Fischer Jessica, Teimer Roman, Amlacher Stefan, Kunze Ruth and Hurt Ed
  
• (2015). Operon structure and cotranslational subunit association direct protein assembly in bacteria. Science. 350, 678-80
  Shieh, Y.W., Minguez, P., Bork, P., Auburger, J.J., Guilbride, D.L., Kramer, G., and Bukau, B.
  
• (2015). Syo1 chaperones 5S-RNP assembly during ribosome biogenesis by RNA mimicry, Nat. Commun. 6: 6510
  Calviño, F.R., Kharde, S., Ori, A., Hendricks, A., Wild, K., Kressler, D., Bange, G., Hurt, E., Beck, M. & Sinning, I.
  
• (2015). The fission yeast MTREC complex targets CUTs and unspliced pre-mRNAs to the nuclear exosome. Nat. Commun. 7:7050
  Zhou, Y., Zhu, J., Schermann, G., Ohle, C., Bendrin, K., Sugioka-Sugiyama, R., Sugiyama, T., and Fischer, T.
  
• (2016). The RanBP2/RanGAP1*SUMO1/Ubc9 SUMO E3 ligase is a disassembly machine for Crm1-dependent nuclear export complexes. Nat. Comm. 7:11482
  Ritterhoff, T., Das, H., Hofhaus, G., Schröder, R.R., Flotho, A. and Melchior, F.