RNA World/Scientific objectives

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Inhalt

Projekt: CRISPR

  • Die CRISPR Elemente stellen ein prokaryotisches Verteidigungssystem gegen externe Angriffe von z.B. Viren dar und können als einfaches Immunsystem von Mikroorganismen angesehen werden.

Mit Hilfe des RNA World-Projekts führen wir eine systematische Durchleuchtung aller Organismen bezüglich der Präsenz aller bekannter Typen dieser molekularen Verteidigungsmaschinerie durch. Wir erhoffen uns davon eine umfassende Übersicht hinsichtlich globaler Verteilung und vorkommender Varianten dieses Systems und werden mit etwas Glück vielleicht sogar ganz neue Systeme entdecken. Die Ergebnisse einer solchen Untersuchung stellen ein enormes Repertoire an potentiellen Anwendungen dar. Diese können von der Optimierung mikrobieller Nahrungsmittelproduktion bis hin zu neuen Wegen in der Bekämpfung multiresistenter Bakterien reichen.

Literatur:

  • Barrangou R, Fremaux C, Deveau H, Richards M, Boyaval P, Moineau S, Romero DA, Horvath P. CRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes. Science. 2007 Mar 23;315(5819):1709-12.
  • Wiedenheft B, Zhou K, Jinek M, Coyle SM, Ma W, Doudna JA. Structural basis for DNase activity of a conserved protein implicated in CRISPR-mediated genome defense. Structure. 2009 Jun 10;17(6):904-12.
  • Hale CR, Zhao P, Olson S, Duff MO, Graveley BR, Wells L, Terns RM, Terns MP. RNA-guided RNA cleavage by a CRISPR RNA-Cas protein complex. Cell. 2009 Nov 25;139(5):945-56.
  • Marraffini LA, Sontheimer EJ. CRISPR interference: RNA-directed adaptive immunity in bacteria and archaea. Nat Rev Genet. 2010 Feb 2. [Epub ahead of print].

Projekt: GEMM

  • Das GEMM RNA Motiv ist ein sogenannter in cis-agierender RNA-Schalter, der den Sekundärbotenstoff cyclisches di-GMP erkennen kann. Das Funktionsprinzip beruht darauf, daß das GEMM RNA Motiv am 5'Ende einer mRNA lokalisiert ist und diesen Botenstoff bindet, wenn er in der Zelle produziert wird. Als Folge dieser Bindung verändert sich die Struktur dieses RNA-Schalters, so daß der stromabwärts gelegene Teil der mRNA, welcher ein Protein kodiert, in seiner Funktion beeinträchtigt wird und zwar so, daß in Abhängigkeit vom genauen Typ des GEMM Motivs die Produktion des betreffenden Proteins entweder aktiviert oder unterdrückt wird. Mit anderen Worten: GEMM dient als RNA-basierter molekularer Schalter, um die Produktion eines Proteins zu kontrollieren.

Es gibt zwei Gründe, weshalb wir uns für diese RNA interessieren: Erstens sind seine Schaltereigenschaften hochinteressant für Anwendungen im Bereich der Synthetischen Biologie und zweitens kontrolliert das GEMM Motif die Produktion einer Vielzahl von Proteinen, die essentiell für die Fähigkeit einiger Pathogene sind, menschliche Zellen angreifen zu können. Beispiele für solche Pathogene sind das Cholera verursachende Bakterium Vibrio cholerae oder Bacillus anthracis - der Verursacher des Milzbrandes (Anthrax). Was RNA World im Moment macht ist das systematische Durchmustern aller vollständig sequenzierten Organismen, um dieses GEMM Motif zu identifizieren.

Literatur:

  • Sudarsan N, Lee ER, Weinberg Z, Moy RH, Kim JN, Link KH, Breaker RR. Riboswitches in eubacteria sense the second messenger cyclic di-GMP. Science. 2008 Jul 18;321(5887):411-3.
  • Smith KD, Lipchock SV, Ames TD, Wang J, Breaker RR, Strobel SA. Structural basis of ligand binding by a c-di-GMP riboswitch. Nat Struct Mol Biol. 2009 Dec;16(12):1218-23. Epub 2009 Nov 8.

Project: 6S

  • 6S RNA ist eine kleine nicht kodierende RNA von etwa 200 Nukleotiden Länge, die in Bakterien weitverbreitet ist und gelegentlich innerhalb eines Organismus sogar in mehreren Genkopien vorkommt. Diese RNA scheint ein System zur Speicherung der RNA Polymerase unter Nährstoffmangelbedingungen darzustellen. Interessanter Weise kann diese RNA aufgrund ihrer speziellen Struktur für die bakterielle RNA Polymerase als Matritze zur Produktion kleiner RNAs in der Größe von miRNAs dienen, sobald nach erneuter Nährstoffzufuhr wieder ausreichende Mengen an intrazellulären NTPs vorliegen. Dies zeigt, daß RNA Polymerasen sowohl als DNA-abhängige RNA Polymerasen als auch als RNA-abhängige RNA Polymerasen fungieren können.

In diesem Projekt kartieren wir die Präsenz dieses wichtigen regulatorischen Systems in allen vollständig sequenzierten Organismen.

Literatur:

  • Willkomm DK, Hartmann RK. 6S RNA - an ancient regulator of bacterial RNA polymerase rediscovered. Biol Chem. 2005 Dec;386(12):1273-7.
  • Wassarman KM, Saecker RM. Synthesis-mediated release of a small RNA inhibitor of RNA polymerase. Science. 2006 Dec 8;314(5805):1601-3.
  • Gildehaus N, Neusser T, Wurm R, Wagner R. Studies on the function of the riboregulator 6S RNA from E. coli: RNA polymerase binding, inhibition of in vitro transcription and synthesis of RNA-directed de novo transcripts. Nucleic Acids Res. 2007;35(6):1885-96.
  • Wassarman KM. 6S RNA: a regulator of transcription. Mol Microbiol. 2007 Sep;65(6):1425-31.

Projekt: Thermo

  • Alle bislang diesbezüglich untersuchten Organismen reagieren auf einen plötzlichen Abfall der Umgebungstemperatur mit der Aktivierung eines spezialisierten genetischen Programms, welches als Kälteschockantwort (CSR) bezeichnet wird. Diese zelluläre Stressantwort dient dazu, mit einer breiten Vielzahl von temperaturabhängigen Veränderungen molekularer Strukturen, Transportprozessen, chemischen Reaktivitäten, usw. fertig zu werden.

Das Ziel dieses Projekts ist die systematische Identifizierung von nicht kodierenden RNAs (ncRNAs), die in thermoregulatorische Prozesse eingebunden sind. Hierbei berücksichtigen wir alle Organismem, deren Genome vollständig sequenziert worden sind.

Literatur:

  • Weber MHW, Marahiel MA. Bacterial cold shock responses. Sci Prog. 2003;86(Pt 1-2):9-75.

Projekt: Mtb, Myctu, Mycle & Myc

  • Mycobacterium tuberculosis ist der Verursacher von Tuberkulose (TB), einer weltweiten Pandemie, die ansteckend ist und durch die Luft übertragen wird. Erschreckender Weise sind mehr als zwei Milliarden Menschen - das entspricht einem Drittel der Weltgesamtbevölkerung - mit TB Bakterien infiziert. Schlimmer noch, multi-resistente TB (MDR-TB) ist eine Form von TB die nicht mehr mit den Standardtherapien behandelt werden kann und bereits heute in nahezu allen Ländern angetroffen wird, die durch die WHO und ihre Partner überwacht werden. Allein im Jahr 2007 starben gemäss WHO-Angaben insgesamt 1,77 Millionen Menschen an TB, was in etwa 4800 Sterbefällen pro Tag entspricht und TB zu einer der weltweit häufigsten Todesursachen macht.

Da inzwischen bekannt ist, dass gewisse nicht kodierende RNAs (ncRNAs) erforderlich sind, um die Fähigkeit vieler Krankheitserreger zu kontrollieren, ihren Wirt zu infizieren, haben wir uns in diesem Projekt eine umfassende Analyse vorgenommen, um alle bislang bekannten ncRNAs in Mycobacterium tuberculosis zu identifizieren. Darüber hinaus erweitern wir unsere bioinformatischen Untersuchungen dahingehend, dass letztlich alle vollständig sequenzierten Organismen des Genus Mycobacterium, inklusive des Lepra verursachenden Bakteriums Mycobacterium leprae eingeschlossen sein werden. Dabei vergleichen wir desweiteren pathogene mit nicht pathogenen Bakterienstämmen, um möglicherweise ncRNA basierte Unterschiede aufzudecken, die in Virulenzprozesse eingebunden sein könnten. Um die biologische und medizinische Relevanz unserer Computer gestützten Untersuchungen zu überprüfen, werden Laborexperimente in Kooperation mit unseren Forschungspartnern in Indien durchgeführt. Es liegt auf der Hand, dass die Entdeckung einer für die Pathogenität dieses Organismuses essentiellen ncRNA ein exzellenter Angriffspunkt zur Entwicklung neuer Arzneistoffe sein könnte, um TB zukünftig zu behandeln.

Literatur:

  • Cole ST, Brosch R, Parkhill J, Garnier T, Churcher C, Harris D, Gordon SV, Eiglmeier K, Gas S, Barry CE 3rd, Tekaia F, Badcock K, Basham D, Brown D, Chillingworth T, Connor R, Davies R, Devlin K, Feltwell T, Gentles S, Hamlin N, Holroyd S, Hornsby T, Jagels K, Krogh A, McLean J, Moule S, Murphy L, Oliver K, Osborne J, Quail MA, Rajandream MA, Rogers J, Rutter S, Seeger K, Skelton J, Squares R, Squares S, Sulston JE, Taylor K, Whitehead S, Barrell BG. Deciphering the biology of Mycobacterium tuberculosis from the complete genome sequence. Nature. 1998 Jun 11;393(6685):537-44.
  • Camus JC, Pryor MJ, Médigue C, Cole ST. Re-annotation of the genome sequence of Mycobacterium tuberculosis H37Rv. Microbiology. 2002 Oct;148(Pt 10):2967-73.
  • Terwilliger TC, Park MS, Waldo GS, Berendzen J, Hung LW, Kim CY, Smith CV, Sacchettini JC, Bellinzoni M, Bossi R, De Rossi E, Mattevi A, Milano A, Riccardi G, Rizzi M, Roberts MM, Coker AR, Fossati G, Mascagni P, Coates AR, Wood SP, Goulding CW, Apostol MI, Anderson DH, Gill HS, Eisenberg DS, Taneja B, Mande S, Pohl E, Lamzin V, Tucker P, Wilmanns M, Colovos C, Meyer-Klaucke W, Munro AW, McLean KJ, Marshall KR, Leys D, Yang JK, Yoon HJ, Lee BI, Lee MG, Kwak JE, Han BW, Lee JY, Baek SH, Suh SW, Komen MM, Arcus VL, Baker EN, Lott JS, Jacobs W Jr, Alber T, Rupp B. The TB structural genomics consortium: a resource for Mycobacterium tuberculosis biology. Tuberculosis (Edinb). 2003;83(4):223-49.
  • Chhabria M, Jani M, Patel S. New frontiers in the therapy of tuberculosis: fighting with the global menace. Mini Rev Med Chem. 2009 Apr;9(4):401-30.

Projekt: sRib

In diesem Projekt durchleuchten wir alle sequenzierten Organismen nach Ribozymen. Dabei schliessen wir auch künstlich erzeugte Ribozyme ein, um festzustellen, ob natürliche Analoga existieren.

Literatur:

  • Tang J, Breaker RR. Structural diversity of self-cleaving ribozymes. Proc Natl Acad Sci U S A. 2000 May 23;97(11):5784-9.
  • Johnston WK, Unrau PJ, Lawrence MS, Glasner ME, Bartel DP. RNA-catalyzed RNA polymerization: accurate and general RNA-templated primer extension. Science. 2001 May 18;292(5520):1319-25.
  • Zaher HS, Unrau PJ. Selection of an improved RNA polymerase ribozyme with superior extension and fidelity. RNA. 2007 Jul;13(7):1017-26.
  • Lincoln TA, Joyce GF. Self-sustained replication of an RNA enzyme. Science. 2009 Feb 27;323(5918):1229-32. Epub 2009 Jan 8.

Projekt: tRNA & tRNA-like

  • tRNAs sind essentielle Komponenten der zellulären Proteinsynthesemaschinerie, übernehmen aber auch zusätzliche Funktionen, wie z.B. die Regulation der Genexpression im Zusammenhang mit dem T-box Element oder werden als Primer für die reverse Transkription des HIV Genoms benötigt - ein Prozess, der essentiell für die virale Integration in das Wirtsgenom ist. Darüber hinaus sind tRNAs für die Bildung bakterieller Zellwände erforderlich und kommen in gewissen Lipiden vor, was sie zu einer äusserst vielseitigen Molekülklasse macht. Interessanter Weise wurden inzwischen eine Reihe von tRNA-ähnlichen Sequenzen in den Genomen einiger Pflanzenviren entdeckt, die im Zusammenhang mit der Regulation der viralen Replikation zu stehen scheinen.

Im Rahmen dieses Projekts versuchen wir, Organismen übergreifend eine vollständige Übersicht des Vorkommens von tRNAs und tRNA-ähnlichen Sequenzen zu erstellen. Dabei hoffen wir, weitere bislang unentdeckte tRNA-Variationen zu entdecken.

Literatur:

  • Wegrzyn G, Wegrzyn A. Is tRNA only a translation factor or also a regulator of other processes? J Appl Genet. 2008;49(1):115-22.
  • Dreher TW. Role of tRNA-like structures in controlling plant virus replication. Virus Res. 2009 Feb;139(2):217-29. Epub 2008 Jul 30.
  • Rich A. The era of RNA awakening: structural biology of RNA in the early years. Q Rev Biophys. 2009 May;42(2):117-37. Epub 2009 Jul 29.
  • Pütz J, Giegé R, Florentz C. Diversity and similarity in the tRNA world: overall view and case study on malaria-related tRNAs. FEBS Lett. 2010 Jan 21;584(2):350-8.
  • Francklyn CS, Minajigi A. tRNA as an active chemical scaffold for diverse chemical transformations. FEBS Lett. 2010 Jan 21;584(2):366-75.

Projekt: T-box

  • Der T-box Leader ist Teil des 5' terminalen Endes einer Reihe von mRNAs und repräsentiert ein RNA Element, das eine regulatorische Funktion bei der Kontrolle der Proteinproduktion übernimmt, in dem es mit unbeladenen tRNAs interagiert.

In diesem Projekt wird der RNA World Supercomputer eingesetzt, um innerhalb des gesamten Baums des Lebens T-box Elemente zu identifizieren.

Literatur:

  • Grundy FJ, Rollins SM, Henkin TM. Interaction between the acceptor end of tRNA and the T box stimulates antitermination in the Bacillus subtilis tyrS gene: a new role for the discriminator base. J Bacteriol. 1994 Aug;176(15):4518-26.
  • Gerdeman MS, Henkin TM, Hines JV. Solution structure of the Bacillus subtilis T-box antiterminator RNA: seven nucleotide bulge characterized by stacking and flexibility. J Mol Biol. 2003 Feb 7;326(1):189-201.
  • Green NJ, Grundy FJ, Henkin TM. The T box mechanism: tRNA as a regulatory molecule. FEBS Lett. 2010 Jan 21;584(2):318-24.

Projekt: GA

Sobald eine neue Genomsequenz veröffentlicht wird, findet eine automatisierte Annotierung der zugehörigen Buchstabenfolge (d.h. der Basen der korrespondierenden DNA Moleküle) statt. Während dieses Prozesses werden alle Regionen identifiziert, die basierend auf dem genetischen Standardcode und einigen wohlbekannten Regeln für Proteine kodieren. Abgesehen von Ribosomen relevanten RNAs, wie den rRNAs, tRNAs und einigen universell vorkommenden nicht kodierenden RNAs, entgeht die Mehrzahl der ncRNAs ihrer Entdeckung. In diesem Projekt konzentrieren wir uns darauf, diese Annotierungslücken zu füllen, indem wir systematisch nach ncRNAs in den bekannten Genomen suchen und unsere ncRNA-relevanten Ergebnisse denen der Standardannotierungsmethoden hinzufügen.


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