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Jens Michaelis - der Biophysiker blickt in den molekularen Maschinenraum

Jens Michaelis will verstehen, welche molekularen Maschinen den Vorgang der Genexpression steuern. Mit seinen neu entwickelten Verfahren gibt der Ulmer Biophysiker der biologischen Grundlagenforschung Instrumente an die Hand, mit denen sich Biomoleküle in Echtzeit nicht nur lokalisieren, sondern in ihrer räumlichen Anordnung bestimmen lassen. Damit ist es möglich, Proteinen in vitro, also gewissermaßen bei der Arbeit zuzusehen.

Vom Ziel, Proteine in ihrer physiologischen zellulären Umgebung zu verfolgen, sind Grundlagenforscher wie Jens Michaelis noch weit entfernt. Aber mit komplexen physikalischen Verfahren gelingt es zusehends, das molekulare Verständnis dieses biologischen Schlüsselprozesses Stück für Stück zu verbessern.

Mit einzelnem Molekül andere Strukturen beleuchtet

Prof. Jens Michaelis will molekulare Details der Genexpression erforschen. © Uni Ulm

Seit 2011 leitet Michaelis das Institut für Biophysik an der Ulmer Universität. Dort hatte er sein Physik-Studium begonnen, ehe er den Master in den USA (University of Oregon) machte. In Konstanz, wo er bei Jürgen Mlynek promovierte, beschäftigte sich Michaelis mit einzelnen Farbstoffmolekülen, mit denen er Quantenoptik betreiben wollte. Im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelte er ein Mikroskop, das mit einem einzigen Molekül als Lichtquelle arbeitete, eine Art molekulare Taschenlampe, die andere Strukturen beleuchtete.

Michaelis‘ Anstrengungen sind wie die Arbeiten anderer Forscher als Versuch zu verstehen, die vom physikalischen Phänomen des Beugungslimits vorgegebenen Begrenzungen der herkömmlichen Lichtmikroskopie zu umgehen. Mit dieser lassen sich nur viele, aber keine einzelnen Proteine - was die biologische Forschung aber besonders interessiert - betrachten.

Bevor ihm Mikroskopiebilder gelangen, die nur mit dem Licht eines einzelnen Moleküls zustande kamen, musste der Physiker schwierige Experimente durchführen. So musste verhindert werden, dass das Farbstoffmolekül „verbleicht", zu leuchten aufhört, weil Farbstoffmoleküle in der Regel ihre spektralen Eigenschaften verändern. Dies gelang Michaelis schließlich durch eine Art „Schockfrosten": Das Farbstoffmolekül wurde einer Temperatur von minus 271 Grad Celsius (rund 2 Grad Celsius entfernt vom absoluten Nullpunkt = -273,15 Grad Celsius bzw. 0 Kelvin)  ausgesetzt, wodurch es photostabiler wurde.

Zu diesem Zeitpunkt schwankte der Frischpromovierte noch zwischen Quantenoptik und Biophysik. So bewarb er sich unter anderem beim diesjährigen Physik-Nobelpreisträger David Wineland als Postdoc, ehe er sich endgültig der Biophysik zuwandte. Sein Interesse galt erneut einzelnen Molekülen, nicht mehr Farbstoffmolekülen, sondern Biomolekülen, und der Funktionsweise einzelner Proteinmoleküle.  

NPS – Satellitensystem auf Nanometerebene

Transkriptionskomplex der RNA-Polymerase II. Mit Hilfe der Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie und NPS erhält Michaelis dynamische Informationen über Struktur und Konformationsänderungen flexibler und vorübergehender biologischer Komplexe. © Michaelis/Uni Ulm

Zusammen mit Kollegen der Münchner Ludwig-Maximilians-Universität, seiner letzten Station vor Ulm, benutzte Michaelis die Einzelmolekülspektroskopie und entwickelte mit ihrer Hilfe eine Art Satellitensystem im Nanometerbereich (NPS). Das katapultierte den Biophysiker in die erste Reihe seiner Zunft. So unterstützt der Europäische Forschungsrat seine Forschung zu Chromatin für fünf Jahre. Damit kann der Ulmer Biophysiker dicke Forschungsbretter bohren, was ihm kürzere Forschungsförderung gewöhnlich nicht ermöglicht. 

Bei dem Verfahren wird unter Ausnutzung des Energieübertrags zwischen Fluoreszenzfarbstoffen die Distanz von Molekülen zu mindestens drei fest verorteten Molekülen gemessen und daraus wie bei der Satelliten-Navigation die Position des Moleküls bestimmt. Diese Beobachtungsmöglichkeit bietet eine wichtige Grundlage für das Verständnis von Mechanismen der Genregulation.

Das Verfahren macht sich die Messung des Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfers (FRET) mit einem Fluoreszenz-Mikroskop zunutze. Dabei überträgt ein angeregtes Fluoreszenzfarbstoffmolekül einen Teil seiner Energie auf ein zweites Farbstoffmolekül. Die übertragene Energie und damit die Intensität des gemessenen FRET-Signals hängen  vom Abstand der beiden Farbstoffmoleküle ab. Mit diesem Verfahren lassen sich Entfernungen im Nanometerbereich bestimmen.

Diese Methode kombinierten Michaelis und Kollegen mit einem Verfahren, das aus der Satelliten-Navigation (Globales Positionierungs-System GPS) bekannt ist. Dabei werden Farbstoffmoleküle an bekannten und unbekannten Positionen befestigt und ihr Abstand über Energietransfer (FRET) bestimmt. Analog zur Satellitennavigation lassen sich die ermittelten Distanzen nutzen, um eine unbekannte Position zu bestimmen. Der Clou des NPS: Damit erhalten Forscher quantitativen Zugang (in Form einer Wahrscheinlichkeitsanalyse) zur Position flexibler Domänen in Makromolekülen wie Proteinen, die bislang nicht sichtbar sind (Muschielok, 2008).  

Wie verändern sich Proteine während ihrer biologischen Arbeit?

Mit diesen Verfahren lassen sich auf der Ebene einzelner Proteine relative Positionen bestimmen. Damit ist es Jens Michaelis möglich, Antworten auf seine zentrale Frage zu finden: Wie verändern sich Proteine während ihrer biologischen Arbeit, welche Auswirkungen hat die geänderte Konformation eines Makromoleküls? Analog zur Strukturbiologie, die starre Strukturen ohne Zeitauflösung erkennen kann, kann Michaelis dynamische Strukturen ermitteln, kann verfolgen, wie sie sich in Echtzeit verändern, wie sich ein Teil eines Proteins während eines biochemischen Prozesses bewegt. Dieses NPS-Verfahren funktioniert gut, wenn sich diese Proteine isolieren lassen.

So gelang es Michaelis und Kollegen (Treutlein, 2012) in einer Reihe von Experimenten aufzuklären, wie die DNA in die RNA-Polymerase aus der Bäckerhefe geladen wird, um dann in eine RNA abgeschrieben zu werden. Diese Erkenntnisse tragen zur Aufklärung bei, warum bestimmte Änderungen des Proteins dessen Funktion verändern.

Das für die Transkription verantwortliche Enzym RNA-Polymerase II (Pol II) kopiert bekanntlich die DNA in RNA und funktioniert nach Michaelis‘ Worten wie eine Maschine, weil sie für diesen zyklischen Prozess, den Einbau von Basen (30 pro Sekunde), chemische Energie braucht. Pol II wird von zahlreichen anderen Proteinen (Transkriptionsfaktoren) unterstützt und reguliert. Bevor Pol II die DNA in RNA zu transkribieren beginnt, muss es an die richtige Stelle auf einem Gen, dem Promoter, gelangen und der DNA-Doppelstrang muss geöffnet werden, um den genetischen Code zugänglich, das heißt ablesbar zu machen. Als Ergebnis dieser ersten zwei Schritte wird ein sogenannter open promoter complex gebildet, ein wesentliches Zwischenprodukt während der Transkriptions-Initiation und dem Startpunkt der RNA-Bildung.

Große strukturelle Änderungen bei der Transkription

Michaelis und seinem ehemaligen Münchener Kollegen Patrick Cramer gelang es kürzlich zum ersten Mal, die dreidimensionale Struktur dieses Komplexes, der aus Pol II, der open promoter DNA und den Initiationsfaktoren TBP, TFIIB und TFIIF besteht, zu charakterisieren. Der Coup gelang mit Hilfe der Einzel-Molekül-FRET und NPS. Damit wurde deutlich, dass während der Transkription von der Initiation bis zum Übergang zur Elongation, der Phase, in der ein Großteil des genetischen Codes des DNA-Stranges in eine mRNA kopiert wird, umfassende strukturelle Änderungen stattfinden.

Eine der leitenden Fragen bei dieser Arbeit beschreibt Jens Michaelis so: „Wir wollten die Bewegung sehen, um die Geschwindigkeit zu erkennen, wollten aber gleichzeitig sehen, was in dem Protein selber passiert, welche Konformationsänderungen sich feststellen lassen." Michaelis' Interesse fokussierte sich auf die sogenannte Transkriptionsinitiation. Er wollte wissen, wie das Enzym die Stelle auf der DNA findet, wo sie den Kopiervorgang beginnen soll, und welche anderen Proteine (Transkriptionsfaktoren) am Transkriptionsbeginn beteiligt sind.

Eng verknüpft mit diesem Bereich der Genexpression ist das zweite Hauptinteresse des Ulmer Biophysikers, die Struktur der DNA in der Zelle. Um in ihr Platz zu finden, muss die meterlange DNA tausendfach zusammengefaltet werden. Gleichzeitig aber muss das Erbmolekül an jeder Stelle lesbar sein, so dass Polymerasen überall an ihr binden können. Michaelis nennt dieses Wunderwerk der Natur eine Art durchsichtige Kompression. Dieses ‚Verpackungskunststück‘ bewerkstelligen andere molekulare Maschinen, die der Biophysiker mit Schneepflügen umschreibt. Die DNA wird von Histonen aufgewickelt und wird in der Fachsprache als Nukleosom bezeichnet. Das Erbmolekül in der Zelle ist zweimal um acht dieser Histone gewickelt. Das ist die Form der Kompaktierung.

Rätsel Erbgutverpackung: Was ist die Funktion der 100 Remodeler?

Damit das Erbmolekül lesbar wird und der Vorgang der Proteinbiosynthese eingeleitet werden kann, muss das Histon entfernt werden. Remodeler genannte molekulare Maschinen schieben die Positionen dieser Histone hin und her. Wie dieses hochkomplexe Verschieben funktioniert, weiß die Wissenschaft noch nicht. Was Forscher wie Michaelis verblüfft und die Komplexität der Genexpression verdeutlicht, ist die Tatsache, dass allein in der menschlichen Zelle 100 verschiedene Remodeler existieren. Das stellt die Forscher vor viele weitere offene Fragen: Warum gibt es so viele dieser Proteinkomplexe, warum reicht nicht einer aus, was genau ist deren Spezialisierung?

Zwar gibt es Hypothesen für diesen Grundmechanismus, die man sich nach Michaelis‘ Worten als Schleifenmodelle vorstellt: Die von Histonen ummantelte DNA löst sich an einer Stelle ab, bildet eine Schleife mithilfe des Remodelers aus, die um das Nukleosom ‚herumrutscht‘. Doch noch sind diese Modelle spekulativ. Für den Ulmer Biophysiker steht fest, dass es „für die nächste Generation von Forschern noch sehr viel Arbeit“ gibt.

Jüngst stießen Kollegen von Michaelis bei der Chromatin-Forschung (Bönisch, 2012) auf ein neues Protein, das beim alternativen Spleißen entsteht. Es handelt sich um eine neue Histon2A.Z-Variante, die von allen bekannten Verpackungs-Proteinen das Nukleosom am meisten destabilisiert, weil es an einer bestimmten Stelle des Chromatins andockt. Diese neue Histon-Variante scheint beim Menschen, wo es besonders häufig im Gehirn nachgewiesen wurde, eine eigene und neue Rolle in der Regulierung der Chromatinstruktur zu spielen.

In naher Zukunft wird Michaelis und seine 15-köpfige Arbeitsgruppe aus Physikern, Biologen und Chemikern einige weitere Arbeiten zu seiner EU-geförderten Chromatinforschung veröffentlichen. „Da hat sich mittlerweile einiges angesammelt“, sagt er. Bald, so hofft er, will er den molekularen Mechanismus der Nukleosom-Verschiebung verstanden haben. Auf mittlere Sicht sollen derartige Experimente in lebende Zellen übertragen werden.

Literatur:
Bönisch, C., et al.: H2A.Z.2.2 is an alternatively spliced histone H2A.Z variant that causes severe nucleosome destabilization, Nucleic Acid Research, 2012, 1-14, doi: 10.1093/nar/gks267

Treutlein, B., et al.: Dynamic Architecture of a Minimal RNA Polymerase II Open Promoter Complex, Molecular Cell (2012), doi: 10.1016/j.molcel.2012.02.008

Muschielok, A., et al.: A nano-positioning system for macromolecular structural analysis, in : Nature methods  5/11, Nov. 2008, S. 965-971, doi:10.1038/NMETH.1259

Glossar

  • Eine Base ist ein Bestandteil von Nukleinsäuren. Es gibt vier verschiedene Basen: Adenin, Guanin (Purinabkömmlinge), Cytosin und Thymin bzw. Uracil (Pyrimidinabkömmlinge). In der RNA ersetzt Uracil Thymin.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Genexpression ist der Begriff für die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Lytisch zu sein ist die Eigenschaft eines Bakteriophagen, seine Wirtszelle bei der Infektion zu zerstören.
  • Ein Promotor ist ein Abschnitt auf der DNA, der die Expression der dahinter liegenden Gene reguliert. Dies geschieht, indem DNA-bindende Proteine, so genannte Transkriptionsfaktoren, an den Promotor binden und so ein Startsignal für die RNA-Polymerase geben, welche eine mRNA-Kopie der Gene anfertigt.
  • Die Proteinbiosynthese ist die zelluläre Synthese von Proteinen. Sie besteht aus zwei Schritten: Die Transkription, d.h. das Anfertigen einer mRNA-Kopie des jeweiligen DNA-Abschnitts und der Translation, d.h. das Übersetzen der Basenabfolge auf der RNA in Aminosäuresequenzen des Proteins.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • Mit Transkription im biologischen Sinn ist der Vorgang der Umschreibung von DNA in RNA gemeint. Dabei wird mithilfe eines Enzyms, der RNA-Polymerase, ein einzelsträngiges RNA-Molekül nach der Vorlage der doppelsträngigen DNA synthetisiert.
  • Ein Transkriptionsfaktor ist ein Protein, dass die Herstellung einer RNA-Kopie eines Gens (Transkription) steuert. Transkriptionsfaktoren binden an bestimmte Sequenzen auf der DNA und interagieren mit der RNA-Polymerase, die dadurch ihre Transkriptionsaktivität verändert.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Die Expression ist die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Physiologie ist die Lehre von den biochemischen und physikalischen Vorgängen in Zellen, Geweben und Organen der Lebewesen.
  • Ein Polymer ist eine aus gleichartigen Einheiten aufgebaute kettenartige oder verzweigte chemische Verbindung. Die meisten Kunststoffe sind Polymere auf Kohlenstoffbasis.
  • Als Fluoreszenz wird die spontane Emission von Licht bestimmter Wellenlänge nach Anregung eines Moleküls mit Licht einer anderen Wellenlänge bezeichnet.
  • Chromatin ist ein Komplex aus Proteinen und DNA, das in der Interphase der Mitose auftaucht. Es stellt die entspiralisierten Chromosomen dar.
  • Ein Nukleosom ist eine Verpackungseinheit innerhalb der Chromosomen, die aus Histonen und DNA bestehen.
  • Der Fluoreszenzresonanzenergietransfer (FRET) ist ein physikalischer Prozess, bei dem ein angeregter Donor-Fluoreszenzfarbstoff strahlungsfrei Energie auf einen fluoreszierenden Akzeptor überträgt. Da die Intensität des FRET auch von dem Abstand der beiden Moleküle abhängt, dient die Methode in der Biochemie zum Nachweis von Wechselwirkungen von Proteinen und Nukleinsäuren.
  • Histone sind Eiweiße, die der geordneten Verpackung der DNA-Helix in Form von Chromosomen dienen. Dabei wird die lange DNA-Helix um die Histone herum gewunden. Diese Komplexe aus DNA und Histonen werden Nukleosomen genannt und bilden die Untereinheit der Chromosomen.
  • Als Spleißen wird der Vorgang bezeichnet, bei dem aus einem primären RNA-Transkript durch Herausschneiden der Introns und Zusammenfügen der Exons das fertige RNA-Produkt gebildet wird. Dieser Schritt ist Teil der Proteinbiosynthese.
  • Messenger-RNA (Abk.: mRNA) ist eine Ribonukleinsäure, die eine Kopie eines kurzen DNA-Stücks darstellt und als Vorlage für die Synthese eines spezifischen Proteins dient.
  • Eine Proteindomäne ist ein konservierter, strukturell abgegrenzter Bereich innerhalb der Polypeptidkette eines Proteins, der eine bestimmte Faltstruktur aufweist und dadurch meist auch eine individuelle Funktion besitzt. Proteine besitzen häufig mehrerer solcher Domänen, die in ihrer Gesamtheit die spezifische Funktion des Proteins bestimmen.
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