Ein molekularer Einblick in die Funktionsweise von PRC1 auf Chromosomen

Wissenschaftler unter der Leitung von Jürg Müller am MPI für Biochemie entschlüsseln die molekulare Architektur des Gen-stilllegungskomplexes PRC1 und zeigen, wie dieser gezielt an Gene gebunden wird, die die Zellidentität steuern.

Forschende am MPI für Biochemie haben die Struktur des menschlichen Polycomb Repressive Complex 1 (PRC1) entschlüsselt, einer molekularen Maschine, die Gene in Zellen ausgeschaltet hält, in denen sie nicht aktiv sein sollten. Obwohl der Komplex bereits vor mehr als 20 Jahren entdeckt wurde, war bislang unklar, wie sich seine Komponenten zu einer funktionsfähigen Maschine zusammenfügen und wie diese Maschine mit Chromosomen interagiert. Die neue Studie, die in Nature Structural & Molecular Biology veröffentlicht wurde, zeigt, wie die vier Untereinheiten von PRC1 zusammengesetzt sind, und liefert eine molekulare Momentaufnahme des Komplexes bei seiner Arbeit an einem Chromosom.

Auf den Punkt gebracht:

• PRC1 ist eine molekulare Maschine, die dazu beiträgt, dass Gene, die das Entwicklungspotenzial von Zellen regulieren, in den Zellen ausgeschaltet bleiben, in denen sie nicht aktiv sein sollten.
• PRC1 bindet an bestimmte Stellen auf den Chromosomen und modifiziert dort die Histonproteine, um die die DNA gewickelt ist.
• Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie konnten die Forschenden zeigen, wie die vier Untereinheiten des menschlichen PRC1 zusammen interagieren und wie der gebildete Komplex an sein Nukleosom-Substrat bindet.
• Experimente an Fruchtfliegen zeigten, wie wichtig diese Struktur für den Aufbau und die Aktivität von PRC1 ist und wie der intakte Komplex zu den Genen geleitet wird, die er reguliert.

PRC1 schaltet Gene aus

Alle Zellen unseres Körpers enthalten dieselbe genetische Information, die in der DNA gespeichert ist. Doch jede Zelle schaltet nur die Gene ein, die sie benötigt. Eine Möglichkeit, wie Zellen die Genaktivität steuern, besteht darin, Histone – die Proteine, um die die DNA gewickelt ist – chemisch zu modifizieren, zum Beispiel mit Hilfe des kleinen Proteins Ubiquitin. Der Proteinkomplex PRC1 koppelt Ubiquitin an Histone bei Genen, die ausgeschaltet werden müssen.

Das Team hat sich zum Ziel gesetzt, PRC1 auf atomarer Ebene sichtbar zu machen und zu verstehen, wie der Komplex aufgebaut ist, wie er mit Chromosomen interagiert und wie er zu den Genen geleitet wird, die er reguliert.

Wie sieht PRC1 aus?

Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie bestimmten die Forscher die Molekülstruktur von PRC1, das aus vier Untereinheiten besteht, die als RING1B, BMI1, PHC2 und CBX7 bezeichnet werden. Die Struktur zeigt wie  PRC1 an ein Nukleosom bindet, die Grundeinheit der Chromosomenorganisation, in der die DNA um Histonproteine gewickelt ist.

„Unsere Studie zeigt, wie die vier Untereinheiten von PRC1 eine sehr kompakte Struktur bilden, in der die verschiedenen Proteine eng miteinander verzahnt sind. Außerdem konnten wir visualisieren, wie PRC1 an das Nukleosom bindet. Anhand dieser Struktur können wir nun nachvollziehen, wie die Architektur des Komplexes dessen Zusammenbau und Aktivität steuert“, erklärt Maria Ciapponi, eine der Erstautorinnen, die die strukturellen und biochemischen Untersuchungen leitete.

Das Team ging anschließend der Frage nach, ob diese Architektur auch für die Funktion von PRC1 in lebenden Zellen wichtig ist, und wandte sich dazu der Fruchtfliege Drosophila zu.

„Es war faszinierend zu sehen, wie unsere strukturellen Erkenntnisse mit der Funktion des Komplexes in einem lebenden Organismus zusammenpassen. Wir haben festgestellt, dass ein Teil des sogenannten Polyhomeotic-Proteins – das Fliegenäquivalent zum menschlichen PHC2 – für den Zusammenhalt des PRC1-Komplexes unerlässlich ist. Ein anderer Teil desselben Proteins ist erforderlich, um den intakten Komplex zu den Genen zu leiten, die er reguliert. Durch die Kombination von strukturellen und in vivo-Ansätzen können wir daher verstehen, wie PRC1 zusammengesetzt wird und wie es seine Zielgene findet“, sagt Martina Cafiso, eine der Erstautorinnen, die die genomischen und in vivo-Analysen durchgeführt hat.

Die Studie baut auf jahrzehntelanger Forschung zum Thema auf, wie Polycomb-Proteine die Genaktivität regulieren.

„Im Laufe der Jahre haben wir viel darüber gelernt, wie Polycomb-Komplexe während der Entwicklung von Tieren und Pflanzen funktionieren, doch was bisher fehlte, war ein Verständnis dafür, wie diese Komplexe aufgebaut sind und wie sie mit Chromosomen interagieren, um ihre Funktionen zu erfüllen. „Unsere Studie liefert diese molekulare Perspektive für PRC1 und zeigt wie die Architektur des Komplexes eng mit dessen enzymatischer Aktivität und der Bindung an Zielgene verbunden ist“, erklärt Jürg Müller, korrespondierender Autor und Leiter der Forschungsgruppe Chromatinbiologie am MPI für Biochemie.

PRC1 hat medizinische Relevanz

Mutationen in Polycomb-Proteinen stehen mit einer Reihe von Erkrankungen beim Menschen in Zusammenhang - die Veränderung bestimmter Aminosäure in einer der PRC1-Untereinheiten ist im Menschen verantwortlich für schwere neurologische Entwicklungsstörungen.

„Zu verstehen, wie sich eine so kleine Veränderung auf die Architektur oder die Aktivität des Komplexes auswirkt, kann ein wichtiger erster Schritt sein, um zu begreifen, wie die Mutation die Krankheit verursacht, und letztendlich zur Entwicklung neuer Therapien führen“, sagt Müller.

„Weil wir die Architektur des Komplexes sichtbar machen konnten, könnten wir nun in sein Inneres schauen und verstehen, warum der Austausch eines Bauteils – oder das Entfernen eines einzelnen Bausteins – dazu führen kann, dass die gesamte Struktur nicht mehr funktioniert“, fasst Müller zusammen.

 

Glossar

Chromosom: Ein Chromosom ist ein langes DNA-Molekül, das zusammen mit den dazugehörigen Proteinen die Gene eines Organismus enthält.

DNA: steht für den englischen Begriff „desoxyribonucleic acid“ und ist die Bezeichnung für die Erbinformationen. Auf der DNA befindet sich der „genetische Code“, also quasi der Bauplan eines Lebewesens.

Histon: sind eine Familie basischer Proteine, die die DNA im Zellkern verpacken.

Nukleosom: Die Grundeinheit der DNA-Verpackung, bestehend aus DNA, die um einen Kern aus Histonproteinen gewickelt ist.

Genexpression / Gen-Silencing: Der Prozess, durch den eine Zelle ein Gen „einschaltet“ (Expression), um ein Protein zu produzieren, oder „ausschaltet“ (Silencing), um es inaktiv zu halten

Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM): Eine Technik der Strukturbiologie, bei der schnell eingefrorene Moleküle mittels Elektronenmikroskopie abgebildet werden, um ihre dreidimensionale Struktur mit nahezu atomarer Auflösung zu bestimmen.

Polycomb-Proteine: sind Proteine, die dabei helfen, bestimmte Gene dauerhaft oder langfristig ruhigzustellen. Es gehört zur sogenannten Polycomb-Gruppe von Genregulationsproteinen. Diese Proteine wirken meist nicht einzeln, sondern in Komplexen, vor allem: PRC1 oder PRC2. Dadurch wird die DNA an bestimmten Stellen schlechter zugänglich. Die dort liegenden Gene werden dann weniger oder gar nicht abgelesen.

Polycomb Repressive Complex 1 (PRC1): Ein Proteinkomplex, der bestimmte Gene ausschaltet, um den Zellen zu helfen, ihre Identität zu bewahren.

Ubiquitin: Ubiquitin ist ein kleines Protein, das Zellen an andere Proteine anlagern, um deren Funktion oder Stabilität zu regulieren.