Forschung

I. Mechanismen der bakteriellen Wachstumsanpassung unter Mangelbedingungen und Stress

Bakterien passen ihr Wachstum sehr effizient an Umgebungsveränderungen, Mangel oder Stress an. Von zentraler Bedeutung ist dabei die Regulation der Kapazität zur Proteinbiosynthese, die über die Ribosomenanzahl bestimmt wird. Eine Schlüsselstellung bei der Regulation der Ribosomenanzahl nimmt die Transkription der ribosomalen RNAs ein, die durch ein komplexes Netzwerk unterschiedlicher Mechanismen gesteuert wird. Ein wesentliches Ziel dieses Forschungsvorhabens besteht darin, die molekularen Mechanismen und das Zusammenspiel aktivierender und reprimierender Faktoren aufzuklären, die bei der Anpassung des Wachstums von Bakterien an Umgebungsveränderungen und Stress eine Rolle spielen. Die Schwerpunkte bilden dabei 1. die ppGpp-vermittelte Transkriptionsregulation an unterschiedlichen rRNA Promotoren, 2. die Rolle aktivierender und reprimierender Transkriptionsfaktoren, 3. die Mechanismen, die zum Wechsel der Spezifität alternativer Sigma-Faktoren führen 4. die Klärung der Frage, ob existierende Sequenzheterogenitäten in den einzelnen rRNA-Operons über eine differentielle Expression eine Veränderung der Spezifität, und damit eine bessere Fitness des Translationsapparates unter den jeweiligen Stressbedingungen auslösen können.

II. Struktur und Funktion kleiner regulatorischer RNA-Moleküle in Bakterien

Kleine stabile RNA-Moleküle sind in letzter Zeit in den unterschiedlichsten Organis­men als Regulatoren der Genexpression erkannt worden. Diese RNAs, die nicht für Proteine kodieren, erfüllen ihre regulatorischen Aufgaben auf den unterschiedlich­sten Expressionsebenen, über zum Teil noch ungeklärte Mechanismen. Bei Bakterien sind mehr als 25 dieser kleinen RNAs bekannt, die alle nicht für Proteine kodieren, und von denen davon auszugehen ist, daß sie regulatorische Aufgaben erfüllen. Exem­plarisch wird in unserem Labor die Funktion der 6S RNA aus E. coli, die in der Zelle einen Komplex mit der RNA-Polymerase bildet, untersucht, sowie eine Analyse der zugrunde liegenden regulatorischen Mechanismen vorgenommen. Dazu gehören detaillierte Untersuchungen der Struktur und Dynamik des Moleküls, sowie die Charakterisierung der Wechselwir­kungspartner in der Zelle. Durch in vitro Funktionsanalysen definierter Transkriptionskomplexe soll herausgefunden werden, welche Schritte des Tran­skriptionsablaufs durch die 6S RNA beeinflußt werden. Wir haben darüber hinaus eine Analyse der Regulation der Expression der 6S RNA selbst in vitro und in vivo unter ver­schiedenen Wachstumsbedingungen durchgeführt und konnten zeigen, dass die Expression der 6S RNA eng mit den generellen Regulatoren der Wachstumsphase verknüpft ist. Eine besonders ungewöhnliche Funktion der 6S RNA besteht darin, selbst als Template für die spezifische Synthese kleiner de novo Trasnskripte (dnRNAs) zu kodieren. Wir haben diese Reaktion und die Produkte charakterisiert und konnten zeigen, dass die dnRNA-Synthese eine wichtige Rolle bei der Aufhebung der 6S RNA-vermittelten Transkriptionsinhibierung unter Bedingungen verbesserten Wachstums spielt.

III. Mechanismus der CRISPR-vermittelten Abwehr von Fremd-DNA

(Dr. Ümit Pul) mehr über CRISPR

Mikroorganismen unterliegen einer ständigen Fremd-DNA Bedrohung durch Phagen, Transposons oder Plasmiden. Vor kurzem wurde ein neues Abwehrsystem entdeckt, das Zellen nach Fremd-DNA Invasion eine vererbbare Immunität gegen diese DNA verleiht. Dieses CRISPR genannte System besteht aus einer chromosomalen Anordnung unterschiedlicher Spacer Sequenzen, die aus der Fremd-DNA stammen, flankiert von palindromischen repeat Sequenzen. Man nimmt an, dass ein siRNA-ähnlicher Mechanismus für die erworbene Resistenz verantwortlich ist, ohne dass molekulare Details dazu bekannt wären. In diesem Projekt werden Analysen zur Aufklärung der grundsätzlichen Schritte der CRISPR-Abwehr und ihrer Regulation in E. coli vorgeschlagen. Wir beabsichtigen, die Transkription und Prozessierung der CRISPR-Elemente zu kurzen crRNAs, sowie eine Beteiligung mehrerer Cas Proteine an diesen Prozessen zu untersuchen. Ziel ist die Aufklärung der molekularen Mechanismen der crRNA-abhängigen Inaktivierung von Fremd-DNA. In ersten Ergebnissen konnten wir neue Promotoren identifizieren und Elemente ihrer Regulation charakterisieren.