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Publikation in Fach­zeitschrift An­ge­wand­te Chemie

For­schungs­team un­ter­sucht RNR-Protein in le­ben­den Zellen

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Drei Personen stehen in einem Chemie-Labor. Die Frau rechts hält einen Erlenmeyerkolben mit gelber Flüssigkeit in der Hand. © Felix Schmale​/​TU Dort­mund
JProf. Müge Kasan­mascheff, Shari Lorraine Meichsner und Dr. Yury Kutin (von rechts) haben neue Erkennt­nisse zum Aufbau und den Ei­gen­schaf­ten des Proteins Ribo­nu­kle­o­tid-Re­duk­ta­se in le­ben­den Zellen ge­won­nen.

JProf. Müge Kasan­mascheff und ihr For­schungs­team von der TU Dort­mund haben neue Erkennt­nisse zum Aufbau und den Ei­gen­schaf­ten des Proteins Ribo­nu­kle­o­tid-Re­duk­ta­se in le­ben­den Zellen ge­won­nen. Ihre Ar­beit könnte ins­be­son­de­re für die Krebs­for­schung von Be­deu­tung sein. Die Er­geb­nisse wurden kürzlich in der re­nom­mier­ten Fach­zeitschrift An­ge­wand­te Chemie ver­öf­fent­licht.

Für die Funktion der Zellen im menschlichen Körper erfüllen Proteine wichtige Aufgaben. Je nach Art trans­por­tie­ren sie zum Beispiel Stoff­wech­sel­pro­duk­te, ermöglichen Zellbewegungen, wehren Infektionen ab oder ka­ta­ly­sie­ren biochemische Reaktionen. Bei all diesen Aufgaben stehen die Proteine im stetigen Austausch mit ihrer Um­ge­bung und wechselwirken mit anderen Proteinen sowie wei­te­ren Zellbestandteilen. Um ein besseres Ver­ständ­nis für die Funk­ti­ons­wei­se von Zellen zu erlangen, ist es daher von großer Be­deu­tung, die Struk­tur und die Ei­gen­schaf­ten der einzelnen Proteine besser zu verstehen.

Hier setzt die For­schung von JProf. Kasan­mascheff an: Für ih­re aktuelle Veröffentlichung haben sie und ihr For­schungs­team das Protein Ribo­nu­kle­o­tid-Re­duk­ta­se (RNR) analysiert, das für die Herstellung von DNA-Bau­stei­nen in den Zellen von fast allen Pflanzen, Säugetieren und auch des Men­schen unverzichtbar ist. Das Besondere an diesem Projekt: Alle Untersuchungen erfolgten in vivo, also in le­ben­den Zellen, statt wie üblich in vitro, also in einer künstlichen Um­ge­bung. „Wir wollten herausfinden, inwiefern sich die tatsächliche Struk­tur und Funktion der RNR in le­ben­den Zellen von den Ergebnissen der In-vitro-For­schung unterscheidet“, sagt Kasan­mascheff.

Elek­tro­nen­spin­re­so­nanz-Spek­tros­ko­pie macht die Abläufe in der Zelle sichtbar

Für ih­re Untersuchungen nutzt die Juniorprofessorin die Methode der Elek­tro­nen­spin­re­so­nanz-Spek­tros­ko­pie (ESR-Spektroskopie). Diese funktioniert ähnlich wie die Magnet-Resonanz-Tomografie (MRT), die häufig in der medizinischen Diagnostik zum Ein­satz kommt. Bei beiden Methoden bewirkt ein Magnetfeld, dass bestimmte Teilchen angeregt wer­den und Signale aussenden, die man aufzeichnen kann: So wer­den beim MRT die Spins der Atomkerne angeregt, bei der Elek­tro­nen­spin­re­so­nanz-Spek­tros­ko­pie hingegen die Spins ungepaarter Elektronen innerhalb von Molekülen. „Um die Struk­tur und die Vorgänge im Inneren von Zellen und bei Proteinen sichtbar zu ma­chen, eignet sich diese Methode be­son­ders gut, weil solche un­ge­paar­ten Elektronen der Aus­gangs­punkt für zahl­reiche che­mi­sche Reaktionen in den Zellen sind und auch in der RNR vorkommen“, er­klärt JProf. Kasan­mascheff. Mo­le­kü­le mit un­ge­paar­ten Elektronen wer­den allgemein als Radikale bezeichnet.

In der Struk­tur der RNR gibt es zwei besondere Radikale: Sie verfügen über einen sogenannten Di-Eisen-Kofaktor, der dem Protein die Katalyse er­mög­licht. Mit Hilfe der ESR-Spektroskopie konn­ten die Wissen­schaft­lerinnen und Wis­sen­schaft­ler zeigen, dass die Struk­tur und die Ei­gen­schaf­ten des Di-Eisen-Kofaktors in der RNR lebender Kolibakterien mit denjenigen übereinstimmen, die bereits in vitro beobachtet wurde. Anhand der Experimente fand das Team jedoch auch heraus, dass die Katalyse bei der RNR in le­ben­den Zellen anders reguliert ist, als dies in vitro beobachtet wurde. So sind in vivo nicht immer beide Radikale der RNR an der Katalyse be­tei­ligt, sondern zuweilen auch nur ein einzelnes. Die Erkennt­nisse un­ter­stüt­zen die These, dass die Aktivität des RNR-Proteins in le­ben­den Zellen über die Veränderung der Konzentration des Di-Eisen-Kofaktors reguliert wird.

Die Er­geb­nisse könnten auch für die Krebs­for­schung relevant wer­den

In ei­nem wei­te­ren Ex­peri­ment gelang es dem Dort­mun­der For­schungs­team außerdem zum ersten Mal, eine unnatürliche Aminosäure an Stelle des Radikals in das RNR-Protein einer le­ben­den Zelle einzubauen und zu be­ob­ach­ten. Durch diese unnatürliche Aminosäure wird es ebenfalls mög­lich, die Aktivität des Enzyms zu be­ein­flus­sen. Dies sei ein wichtiger Schritt, um das Verhalten lebender Zellen in Zukunft gezielt be­ein­flus­sen und manipulieren zu kön­nen, so Kasan­mascheff. Die Er­geb­nisse sind be­son­ders für die Krebs­for­schung relevant. Denn die RNR wird immer dann von den Zellen benötigt, wenn sie sich teilen oder einen Schaden an der DNA reparieren müssen. Wenn es also mög­lich würde, die Aktivität der RNR in Krebszellen gezielt zu be­ein­flus­sen, könnte damit das Wachstum von Tumoren verlangsamt oder so­gar ganz gestoppt wer­den.

Die Er­geb­nisse der Forschungs­arbeit, die im Rah­men des durch die Deutsche Forschungs­gemein­schaft (DFG) ge­för­der­ten Exzel­lenz­clus­ters RESOLV durch­ge­führt wurde, haben Kasan­mascheff und ihr Team in der Fach­zeitschrift An­ge­wand­te Chemie ver­öf­fent­licht. Die Publikation erhielt die Aus­zeich­nung „Highly Important Paper“ die nur an rund zehn Pro­zent der Ver­öf­fent­lichun­gen des Magazins verliehen wird.

Link zur Original-Publikation:

In‐Cell Characterization of the Stable Tyrosyl Radical in E. coli Ribonucleotide Reductase via Advanced EPR Spectroscopy

 

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