Erschließung des Superspiralisierungsmechanismus der DNA
Unter DNA-Superspiralisierung ist die Verwindung eines DNA-Strangs zu verstehen, was in einer Vielzahl biologischer Prozesse, wie zum Beispiel der Verdichtung der DNA eine wichtige Rolle spielt. Außerdem sind bestimmte Enzyme, wie Topoisomerasen, in der Lage, DNA-Struktur zu verändern, um Prozesse wie die Replikation oder die Transkription zu erleichtern. Das von der EU finanzierte Projekt "REV GYR MECH" hat gerade seine Untersuchung des Superspiralisierungsmechanismus bei Thermotoga maritima (T. Maritime), einem hyperthermophilen Bakterium heißer Quellen, abgeschlossen. Die Idealtemperatur des Bakteriums beträgt 80 ˚C, was sie in der Bakterienwelt so einzigartig macht. Reverse Gyrase, ein Enzym, das auch in hyperthermophilen Organismen zu finden ist, kann in der DNA positive Super Coils hervorrufen. In jüngster Zeit fand die reverse Gyrase aufgrund ihrer einzigartigen Architektur und Funktion in Forschungskreisen viel Beachtung. Die Wissenschaftler von REV GYR MECH untersuchten das Enzym aus biophysikalischer Sicht. Ziel war es, ein Modell zu erstellen, das seine Domänenarchitektur mit der Enzymfunktion in Verbindung bringen kann. Die Forscher beschäftigten sich daher intensiv damit, wie sich Nukleotide und DNA binden, und mit der Kommunikation innerhalb der Domänen, wodurch die Superspiralisierung erleichtert wird. Das Team von REV GYR MECH entfernte aus dem Enzym eine bestimmte wichtige Schlüsseldomäne, die sogenannte H3-Domäne. Daraufhin ging in der Nukleotid- und der DNA-Bindung die Kooperativität und die Fähigkeit verloren, zwischen einzel- und doppelsträngiger DNA zu unterscheiden. Außerdem wurde die Superspiralisierungsaktivität vollständig aufgehoben, was darauf hinweist, dass die H3-Domäne ein wichtiger Bestandteil für die positive Superspiralisierung ist. Mit Hilfe molekularer Kristallographie entwickelte das Projektteam ein Modell der Dynamik der Aktivitäten von reversen Gyrase. In FRET-Experimenten (Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer) konnte das Modell dann bestätigt werden. Durch Einfärbung der interagierenden Teile des Enzyms und der DNA (der Domänen) konnte anhand der Ergebnisse festgestellt werden, dass das Enzym bei subphysiologischen Temperaturen und in Gegenwart anderer großer DNA-Moleküle, wie Plasmiden, Domänen umdreht. Die Ergebnisse von REV GYR MECH haben eine Grundlage für die komplexe Funktionsweise der DNA eines uralten Bakteriums geschaffen. Damit könnten Forschungsergebnisse Einblick in die molekularen Mechanismen anderer Enzym-DNA-Reaktionen liefern.
