Zusammenfassung
Die pontozerebelläre Hypoplasie (PCH) ist eine seltene neurologische Entwicklungsstörung, die zu Veränderungen in Genen führt, die für die tRNA-Spleißendonuklease (TSEN) kodieren. Dieses Multikomponenten-Enzym ist an der Herstellung wesentlicher Bausteine für die Proteinsynthese beteiligt – ein Prozess, der die Funktion gesunder Zellen erst ermöglicht und aufrechterhält. TSEN ist in jeder Zelle des menschlichen Körpers zu finden, aber die Auswirkungen der PCH-bedingten Mutationen zeigen sich nur in bestimmten Regionen des Gehirns; ein Phänomen, das bisher nicht erklärt wurde.
Vor kurzem ist es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern gelungen, dreidimensionale (3D) Strukturen von TSEN zu erstellen, die an die Substrate der TSEN gebunden sind – sogenannte Vorläufer-Transfer-RNAs oder prä-tRNAs. Diese Erfolge sind für das Verständnis der Wechselwirkungen innerhalb des Komplexes und mit seinen Substraten von zentraler Bedeutung und ermöglichen es, die durch PCH-Mutationen in den TSEN-Genen verursachten Veränderungen zu erklären.
Proteinsynthese und tRNA
Proteine sind wichtige Bausteine unseres Körpers, die an allen Zellfunktionen beteiligt sind, vom Aufbau zellulärer Strukturen bis hin zu Stoffwechselprozessen und der Zellteilung. Proteine entstehen aus Aminosäuren und werden in zwei Schritten gebildet. Zunächst wird die in der DNA kodierte genetische Information in der sogenannten Transkription in Boten-RNA (mRNA) umgeschrieben. Anschließend wird dieses Zwischenprodukt, der Botenstoff, in der so genannten Translation als Vorlage für die Herstellung von Proteinen verwendet. Während der Translation bringen Moleküle, so genannte Transfer-RNAs (tRNAs), die passenden Bausteine (Aminosäuren) zum Proteinsynthese-Apparat der Zelle, wo die Proteine Schritt für Schritt wie eine Perlenschnur gebildet werden. Daher ist eine ausreichende Verfügbarkeit von tRNAs für die Proteinsynthese unerlässlich; eine Störung der tRNA-Versorgung führt zu zellulärem Stress. Nach der Synthese erhalten die Proteine ihre charakteristischen 3D-Strukturen, durch die sie ihre Funktionen in der Zelle wahrnehmen und gezielt mit anderen Proteinen interagieren können.
tRNA-Biogenese und Spleißen (Splicing)
Unter tRNA-Biogenese versteht man den Prozess, durch den tRNAs in der Zelle gebildet und zur Reife gebracht werden. Dieser Prozess ist hochkomplex und besteht aus mehreren Schritten, darunter Schneiden, Falten und chemische Veränderung der tRNA-Moleküle. Eine korrekte tRNA-Biogenese ist wichtig für die Zelle, da jeder Fehler in diesem Prozess zu defekten tRNAs führen kann. Da ausgereifte tRNAs Aminosäuren transportieren, die für die Bildung neuer Proteine benötigt werden, führt jede Störung ihrer Biogenese wahrscheinlich zu einer Beeinträchtigung der Proteinsynthese und damit der gesamten Zellfunktion.
Einige tRNAs haben Teile, die durch das sogenannte tRNA-Spleißen (tRNA Splicing) entfernt werden müssen. Bei diesem Prozess werden diese Segmente, genannt Introns, aus den Vorläufer-tRNA-Molekülen herausgeschnitten, während die verbleibenden Exons zu reifen tRNAs zusammengefügt werden. Dies geschieht durch spezifische Enzymkomplexe, zu denen auch der TSEN-Komplex gehört.
Der TSEN-Komplex besteht aus vier Proteinen: TSEN2, TSEN15, TSEN34 und TSEN54; Mutationen in diesen Teilen führen zu den verschiedenen Subtypen der PCH. Insbesondere Veränderungen in TSEN54 werden mit drei PCH-Subtypen in Verbindung gebracht: PCH2, PCH4 und PCH5. Die genauen Wirkmechanismen dieser Änderungen im TSEN54-Gen, die vor allem bestimmte Hirnregionen betreffen, sind jedoch noch nicht bekannt.
Fortschritte im biologischen Verständnis von TSEN
In einer aktuellen Studie wurden PCH2a-Patienten mittels Hautbiopsie Fibroblasten entnommen und gezeigt, dass die Bildung des TSEN-Komplexes in diesen Zellen gehemmt ist1. Im Reagenzglas konnte die spezifische Funktion des mutierten Komplexes jedoch weiterhin nachgewiesen werden. Der genaue Grund für diese Diskrepanz muss noch weiter erforscht werden.
Ein besseres Verständnis der Protein-Protein-Wechselwirkungen innerhalb des TSEN-Komplexes und seiner Bindung an die tRNA setzt voraus, dass man die komplexen 3D-Strukturen der beteiligten Proteine kennt. Proteinstrukturaufnahmen während verschiedener Phasen der Katalyse können Aufschluss darüber geben, wo sich bestimmte Mutationen befinden und ob sie die Protein-Protein-Wechselwirkungen behindern oder die Katalyse stören.
Kürzlich wurden vier solcher Strukturen des TSEN-Komplexes in verschiedenen Zuständen während der Katalyse veröffentlicht2345. Dabei zeigte sich, dass die PCH-assoziierten Mutationen weit von den aktiven (katalytischen) Stellen des TSEN-Komplexes entfernt sind. Diese Erkenntnisse sind wichtig, weil sie unser Verständnis des Komplexes und seiner biochemischen Eigenschaften verbessern. Darüber hinaus helfen die Strukturen auch beim Verständnis von Effekten, die in anderen Tier- oder Zellmodellen von PCH beobachtet wurden, was für die Suche nach biochemischen Mechanismen im Zusammenhang mit PCH wichtig ist.
Fazit
Veränderungen in Enzymkomplexen, die am tRNA-Spleißen, einem für die Proteinsynthese wichtigen Prozess, beteiligt sind, können schwerwiegende Folgen auf der Zellebene haben. Es ist jedoch nach wie vor unklar, durch welche Mechanismen diese Mutationen für die Symptome verantwortlich sind, die bei PCH2-Patientinnen und -Patienten beobachtet werden. Die neuen Erkenntnisse über die molekulare Struktur des TSEN-Komplexes haben geholfen, die Mechanismen des tRNA-Spleißens zu verstehen; ebenso, wie mutationsbedingte Störungen diese fein aufeinander abgestimmten Zellprozesse abändern. Die Ergebnisse werden für die Entwicklung künftiger Behandlungsstrategien von entscheidender Bedeutung sein.
Quellen
- Sekulovski, S., Devant, P., Panizza, S., Gogakos, T., Pitiriciu, A., Heitmeier, K., … & Trowitzsch, S. (2021). Assembly defects of human tRNA splicing endonuclease contribute to impaired pre-tRNA processing in pontocerebellar hypoplasia. Nature communications, 12(1), 5610. ↩︎
- Hayne, C. K., Butay, K. J. U., Stewart, Z. D., Krahn, J. M., Perera, L., Williams, J. G., … & Stanley, R. E. (2023). Structural basis for pre-tRNA recognition and processing by the human tRNA splicing endonuclease complex. Nature structural & molecular biology, 30(6), 824-833. ↩︎
- Sekulovski, S., Sušac, L., Stelzl, L. S., Tampé, R., & Trowitzsch, S. (2023). Structural basis of substrate recognition by human tRNA splicing endonuclease TSEN. Nature Structural & Molecular Biology, 30(6), 834-840. ↩︎
- Yuan, L., Han, Y., Zhao, J., Zhang, Y., & Sun, Y. (2023). Recognition and cleavage mechanism of intron-containing pre-tRNA by human TSEN endonuclease complex. Nature Communications, 14(1), 6071. ↩︎
- Zhang, X., Yang, F., Zhan, X., Bian, T., Xing, Z., Lu, Y., & Shi, Y. (2023). Structural basis of pre-tRNA intron removal by human tRNA splicing endonuclease. Molecular Cell, 83(8), 1328-1339. ↩︎