Arbeitsgruppe "Kryo-Elektronenmikroskopie makromolekularer Maschinen"

Der Hauptschwerpunkt der AG Spahn ist die Untersuchung von Struktur und Dynamik makromolekularer Maschinen mittels dreidimensinaler Kryo-Elektronenmikroskopie.

Einer unserer Schwerpunkte liegt dabei auf dem Translationsapparat. Die Proteinbiosynthese ist als Schlüsselschritt bei der Übersetzung des Genoms in das Proteom einer der zentralsten und wichtigsten Prozesse in allen lebenden Zellen überhaupt. Das Ribosom als zentrale Maschine der Translation steht somit zwischen der Nukleinsäurewelt und Proteinwelt und besteht auch selber aus ribosomaler RNA und ribosomalen Proteinen.

Die Übersetzung der genetischen Botschaft am Ribosom nach den Regeln des genetischen Codes erfolgt in vier Phasen:

  • Die Initiation, bei der die kleinen und die großen ribosomalen Untereinheiten zum Ribosom auf der mRNA assoziieren unter Selektion des Startcodon.
  • Die Elongation, bei der das Ribosom repetitiv in Zyklen die dem jeweiligen Codon entsprechende tRNA selektiert und pro Elongationszyklus die Verlängerung der Peptidkette um eine Aminosäure katalysiert.
  • Die Termination, bei der das Ribosom am Stopcodon die Proteinbiosynthese beendet.
  • Das Recycling, bei dem die die ribosomalen Untereinheiten wieder dissoziieren.

Zudem unterliegt die Translation einer komplexen Regulation. Funktion und Regulation werden durch das Mitwirken einer Vielzahl von Translationsfakoren bewerkstelligt, welche Konformationsänderungen im Ribosom induzieren und die strukturelle Dynamik steuern. Auch bestimmte in cis-wirkenden Abschnitte der mRNA, z.B. virale IRES-RNAs („internal ribosomal entry site“), vermögen die Dynamik des Ribosoms zu steuern. Die Identifizierung der jeweiligen Bindeorte am Ribosom und der Eigenschaften derartiger Wechselwirkungen und der daraus resultierenden Strukturänderungen tragen somit wesentlich zum Verständnis des molekularen Mechanismus der Proteinbiosynthese und der Translationskontrolle bei.

Auch wenn biologisch notwendig, so erschwert die strukturelle Flexibilität des Ribosoms Strukturuntersuchungen, da die untersuchten Proteinkomplexe häufig strukturelle Heterogenität aufweisen, auch wenn sie in vitro mit homogenen Zusammensetzungen hergestellt worden sind. Dementsprechend entwickeln wir verschiedene Methoden zur Klassifikation der gemessenen Strukturen und wenden diese an um einzelne Konformere in silico durch Datensortierung aufzutrennen und somit einzeln zu darzustellen. Diese Vorgehensweise erlaubt es uns nicht nur hochaufgelöste Strukturen dieser flexiblen makromolekularen Maschine zu erhalten, sondern auch Rückschlüsse auf die Dynamik der Strukturänderungen und ihre biochemischen Bedeutung zu ziehen.

Arbeitsgruppenleiter

Prof. Dr. Christian Spahn
Institutsdirektor, Arbeitsgruppenleiter sowie Sprecher des SFB 740
t: +49 30 450 524 131

Forschungsdatenbank

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