Structural characterization of the minimal human RISC-loading complex

Abstract

Die Genexpression ist die Voraussetzung für die Proteinbiosynthese in allen Zellen. Eine schnelle und feingesteuerte Kontrolle der Genexpression, die Genregulation, ist dabei als Reaktion auf Umweltveränderungen von großer Bedeutung. Unter Zuhilfenahme von kleinen RNAs spielen die RNA-Interferenz (RNAi) und verwandte Geninaktivierungsprozesse (gene silencing pathways) eine wichtige Rolle bei der Genregulation in Eukaryoten. Die gezielte Abschaltung von Genen durch RNAi wird durch die Erzeugung von kleinen doppelsträngigen RNAs (dsRNAs) in sogenannten RNA-induced-silencing complexes (RISCs) initiiert. Es konnte gezeigt werden, dass ein minimaler H. sapiens Komplex, der RISC -loading -Komplex (RLC), bestehend aus Dicer , Ago2 und TRBP2, in der Lage ist, Vorläufer-RNAs in etwa 21-23 Nukleotid lange dsRNAs zu zerkleinern, diese in ihre Einzelstränge zu trennen, den entsprechenden Führungsstrang auf Ago2 zu laden und eine komplementäre Ziel-mRNA endonukleolytisch zu schneiden. Somit kann dieser minimale Komplex die Verarbeitung der Vorläufer-RNA in kleine dsRNAs durch Dicer mit der Beladung dieser kleinen RNA-Produkte auf Ago2 verbinden/koppeln. Innerhalb des RLC wirken Dicer und Ago2 als Endoribonukleasen, während das dsRNA-Bindungsprotein TRBP2 die Dicer-RNA Komplexe zu Ago2 rekrutiert und für die Beladung der entsprechenden kleinen RNAs in den Komplex und auf Ago2 wichtig ist. Strukturinformationen des RLCs, der Subkomplexe sowie die einzelnen RLC-Proteine sind kaum vorhanden, und über die RNA-Transfermechanismen innerhalb des RLCs ist wenig bekannt. Innerhalb dieser Arbeit wurde ein Expressions- und Reinigungssystem für die einzelnen rekombinanten Proteine etabliert. Die menschlichen Proteine Dicer und Ago2 wurden als N-terminal Hexahistidin markierte Proteine in Sf9- bzw. High Five-Insektenzellen hergestellt, und menschliches TRBP2 wurde als N-terminal GST-markiertes Protein in E. coli BL21(DE3)Star-Zellen exprimiert. Die einzelnen Proteine wurden gereinigt und der RLC präpariert. Der RLC und dessen Komponenten wurden strukturell durch makromolekulare Röntgenkristallographie und Einzelpartikel Elektronenmikroskopie untersucht. Da die Kristallisation von diesem großen und hochflexiblen Komplex während dieser Arbeit nicht möglich war, wurden die Hauptstrukturarbeiten am RLC mit Hilfe von Einzelpartikel Elektronenmikroskopie-Studien durchgeführt. So konnte eine dreidimensionale Struktur des H. sapiens RLCs mit einer Auflösung von 22,8 Å rekonstruiert werden. Diese Rekonstruktion zeigt, dass der RLC eine C- förmige Gestalt mit verschiedenen flexiblen Regionen aufweist. Ein Vergleich mit einer früheren Rekonstruktion des RLC zeigt, dass die in dieser Arbeit bestimmte Struktur des RLC (RNA-gebundener Komplex) eine offenere Konformation einnimmt. Zusätzlich lässt die erreichte höhere Auflösung die Bestimmung neuer struktureller Details, des RLC zu, so dass einzelne Domänen erkennbar sind. Um die RLC-Komponenten innerhalb der hier bestimmten RLC-Rekonstruktion zu lokalisieren, sollten Referenzdichten der Subkomplexe und von Dicer berechnet werden. Aufgrund der hohen Heterogenität der Subkomplexe und von rekombinantem Dicer, waren zuverlässige Rekonstruktionen bisher nicht möglich. Die in dieser Arbeit bestimmte Struktur des humanen RLC und weitere in der Zwischenzeit erlangte biochemische und strukturelle Ergebnisse anderer Gruppen, bedingen ein neues mögliches Modell für die RNA-Transfer–Mechanismen innerhalb des RLCs, welches diskutiert wird. Das große human Dicer Protein enthält eine N-terminale DExD/H-Helikase Domäne, dessen Funktion noch immer unklar ist. Interessanterweise interagiert diese Domäne mit TRBP2. Mit Hilfe dieser Interaktion wird die Endonuklease-Aktivität von Dicer aktiviert. Um die Wechselwirkung zwischen Dicer und TRBP2 im Detail zu verstehen, wurden in dieser Arbeit zusätzlich zu dem vollständigen Dicer-TRBP2 Komplex, minimale Dicer-TRBP2 Komplexes für strukturelle Analysen präpariert. Ein Atommodell der Interaktionsfläche mit verschiedenen minimalen Dicer-TRBP2 Komplexen konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht erhalten werden. Es kann aber gezeigt werden, dass dieses Dicer-Fragment die Bindung von TRBP2 zu einzelsträniger RNA vermindert, was auf eine Rolle von TRBP2 bei der Substratwahl von Dicer schließen lässt. H. sapiens TRBP2 besitzt drei dsRBDs, die für RNA- und Proteinbinding sowie die eigene Homodimerisierung verantwortlich sind. Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Kristallstruktur der zweiten dsRNA-Bindungsdomäne (dsRBD2) von TRBP2 gelöst und bis zu einer Auflösung von 2.28 Å verfeinert werden. Die Domäne hat eine typische α-β-β-β-α dsRBD Faltung, wobei die α-Helices gegen eine Seite des dreisträngigen antiparallelen β-Faltblattes packen. Die asymmetrische Einheit enthält vier Moleküle der dsRBD2, die untereinander zwei verschiedene Dimerisierungstellen bilden. Durchgeführte SAXS- und MALS-Messungen zeigen allerdings, dass die dsRBD2 in Lösung als Monomer vorliegt. Die identifizierten Dimerisierungsstellen scheinen daher nur Kristallisationsartefakte zu sein. Die Ergebnisse in dieser Arbeit deuten darauf hin, dass nicht die dsRBD2 allein sondern auch die Loop-Regionen zwischen den dsRBDs von hTRBP2 für die Dimerisierung wichtig sind. Ein Vergleich dieser Struktur mit der zuvor gelösten Struktur der dsRBD2 von TRBP2 im Komplex mit einem kurzen CG-Duplex zeigt, dass RNA-induzierte strukturelle Umlagerungen im Bereich der RNA-Bindungsstellen innerhalb der Domäne möglich sind. Zusätzlich zeigt die ermittelte SAXS Struktur der dsRBD2, dass genau diese Regionen, welche für RNA-Bindungen wichtig sind, sehr flexibel sind und so die Bindung von verschiedenen RNA-Substraten erlauben.