Nobel-Medaille von

Chemie Nobelpreis 2009

für Struktur und Funktion der Ribosomen

Ada Yonath (MMIX=2009)

Vom Gen zum Protein in drei Nobelpreisen

DNA

dna
DNA

Auf der DNA (Desoxyribonukleinsäure, kurz DNS oder engl. DNA) ist die Erbinformation enthalten. So z.B. die Gene die den Code für Ribonukleinsäuren (RNS, engl. RNA) und Proteine, welche für die Entwicklung des entsprechenden Organismus und den Stoffwechsel in der Zelle notwendig sind. 1953 wurde von Francis Crick und James Watson mit der Lösung das Puzzles der DNA Struktur auf der Grundlage der Röntgenkristallographischen Messungen von Rosalind Franklin und Maurice Wilkins (DNA besitzt eine Doppelhelix-Struktur) die Basis gelegt (Nobelpreis für Physiologie oder Medizin, 1962).

Sir Francis Crick hatte 1958 das zentrale Dogma der Molekularbiologie postuliert: "Der Informationsfluss vom Gen zum Protein geht immer in der Richtung von der Nukleinsäure zur Aminosäure." (Gene - also DNA(DNS) - haben die Informationen gespeichert, um in der Zelle lebenswichtige Proteine (Eiweisse, Enzyme) herzustellen (Proteine= Arminosäureketten)).


RNA-Polymerase
RNA-Polymerase

RNA Polymerase

Ungefähr 50 Jahre später konnte der US-amerikanischer Biochemiker Roger Kornberg mit der Struktur der RNA-Polymerase (ein Enzym) den nächsten Schritt, von der Übertragung der Information der DNA(DNS) zur Boten-RNA ('messenger'-RNA,mRNA) - also die Transkription und deren molekulare Mechanismen - aufklären (Nobelpreis für Chemie für die "Molecular basis of eukaryotic transcription", 2006).


Ribosomen

Für den letzten Schritt dieser Informationskette vom Gen zum Protein wurden Venky Ramakrishnan, Tom Steitz und Ada Yonath im Jahre 2009 für die Erkenntnisse über Struktur und Funktion der Ribosomen mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Ihre strukturellen Untersuchungen erklären im Detail wie das Ribosom aussieht und wie mit höchster Präzision das Auslesen der Boten-RNA mittels Transfer-RNAs (tRNA) am Ribosom und die Bildung der Aminosärekette - aus der sich schliesslich ein Protein faltet - vonstatten gehen.
kleine ribosomale Untereinheit, 30S
große ribosomale Untereinheit, 50S
Schluenzen, F. et. al., Cell 102, 615-623 (2000)
Wimberly, B.T. et. al., Nature 407, 327-339 (2000)

Ban, N. et. al., Science 289, 905-920 (2000)
Harms, J. et. al., Cell 107, 679-688 (2001)



Ein bischen Geschichte

Ada Yonath begann Ende der 1970er, von vielen belächelt, Ribosomen und deren Untereinheiten zu kristallisieren (Postdoc von 1979-83 bei H.G. Wittmann am MPI f. molekulare Genetik Berlin). Von 1986-2004 leitete sie die Arbeitsgruppe Ribosomenstrultur der Max-Planck-Gesellschaft in Hamburg am DESY.

Eidechsen

Die Idee zum Kristallisieren von Ribosomen kam auf nachdem (vor allem) James Unwin Ende der 1970er die zweidimensionale (Quasi-Kristalle) Anordnung von Ribosomen in Eidechsen bei Kältestarre nachgewiesen hatte (er soll bekannt dafür gewesen sein in Kirchen umher zu kriechen und Eidechsen zu suchen)*

Relativ schnell gelang es Ada Yonath (in Berlin) erste Kristalle von Bazillus stearothermophilus Ribosomen herzustellen und sogar Röntgendiffraktion zu zeigen. Leider hat intensive Röntgenstrahlung den Nachteil erheblicher Stralenschädigung, so dass man noch nicht daran denken konnte einen vollständigen Datensatz aufzunehmen.

*Eidechsen, nicht Eisbären (Polar Baers), welche ja keinen wirklichen Winterschlaf halten. Nebenbei wäre es sicher nicht schwierig , eher gefährlich gewesen, Eisbären die in englischen Kirchen herumlaufen, zu finden.

Kryomethode

Harkon Hope entwickelte eine Methode Kristalle im Stickstoffkaltstrom zu messen, was die Strahlenschädigung deutlich minderterte. Ada Yonath trieb diese Entwicklung (oder vielleicht auch Hakon Hope) als Anwendung für ribosomale Kristalle voran. 1991 gelang es ihrer Gruppe erstmals einen 50S Kristall mit einer Auflösung von knapp über 3A** zu messen (eine der wenigen Meßzeiten bei der Ada nicht dabei war, das nagt noch heute ...). Als ich 1992 zu ihrer Gruppe stiess, gab es Kristalle von 3 verschiedene große, 1(-2) kleine Untereinheiten sowie eines vollständigen Ribosomes. Mit Ausnahme des 50S von Haloarcula marismortui jedoch alle eher im Bereich von 10A.

Es folgten Jahre der Optimierung von Kristallisation, Kryomethode und Experiment. Trotzdem wollte es all die Jahre leider nicht gelingen, unsere Probleme mit den 50S Kristallen von Haloarcula marismortui zu beheben war es nur eine Frage der Zeit, bis sich Konkurenten daran versuchten.

** Die Auflösung gibt sozusagen den kleinsten Abstand an, bei dem zwei Punkte noch als zwei Objekte wahrgenommen werden können (Bindungs-Abstand zwischen zwei Kohlenstoff Atomen ca. 1.7A).

Konkurenz

Nach Yonath's frühen Erfolgen sah es Ende der 1990er Jahre fast so aus, als wenn die eigentliche Lösung der Ribosomen-Struktur schließlich anderen Gruppen gelingen sollte.

In Yale fing Nenad Ban 1995 in Tom Steitz' Gruppe an ribosomale Partikel zu Kristallisieren, als Kristallograph wurde Peer Moore ins Boot geholt und kurze Zeit später stiess noch Poul Nissen dazu [T. Steitz, Lecture in Yale, Jan. 2010]. Sie fanden den entscheidenden 'Trick' um "unsere" 50S-Kristalle zu verbessern, so dass es ihnen schliesslich gelang 1999 eine 5A Teilstruktur zu veröffentlichen.

Venky Ramakrishnan arbeitete schon seit den frühen 1980ern an der Strukturaufklärung ribosomaler Proteine und deren Lokalisierung im Ribosom. Seine Gruppe startete ebenso ca. 1995 mit der Arbeit an der kleinen 30S Untereinheit von Thermus thermophilus in der Annahme, das wir (Yonath) uns mit der Steitz Gruppe um die 50S Struktur ein Wettrennen liefern und Ramakrishnans Gruppe in Ruhe das 30S ferigstellen kann.

Rennen um die Strutur (aus meiner Sicht)

Unsere 50S Struktur hakte jedoch an Problemen mit den Kristallen (Isomorphie usw.), diese lieferten uns trotz vielfältiger Versuche keine Daten um sinnvoll die Struktur im Detail zu lösen. Stattdessen gelang uns aber der entscheidende Schritt bei der kleinen 30S Untereinheit, so dass es schliesslich Venky Ramakrishnan war, der, anders als von ihm geplant, mit uns im Wettrennen lag und Tom Steitz ausser Konkurrenz die 50S Struktur lösen konnte.

Parallel zu der 5A Teilstruktur von Steitz' Gruppe veröffentlichte Ramakrishnan ebenso einige Strukturteile bei 5.5A. Das war schon ein gewisser Schock, hatten wir bis dahin nur Namenlose Platzhalter als RNA oder Protein-Stücken. An dem Punkt hat mich das Puzzlefieber gepackt: den Stücken Namen geben und sie Verbinden. Zeitgleich mit der immer besser werdender Elektronendichte von Frank hatten Ante und ich (mit vielen Helfern) schon ca. 3/4 der RNA und Protein-Verteilung zusammen, als Raz aus Israel zu uns gestossen ist und noch einmal für den letzten Schub sorgte die Struktur fertig zu bekommen ***.

Im August 2000 folgte schließlich von Steitz' Gruppe die Veröffentlichung der Struktur der großen Untereinheit (50S) von Haloarcula marismortui mit der, bis Heute (Feb. 2010), unerreichten Auflösung von 2.4A. Nur kurz danach folgten wir mit der 30S Struktur von Thermus thermophilus bei 3.3A und wieder knapp 3 Wochen später Ramakrishnans Gruppe mit der gleichen 30S Untereinheit bei 3A mit noch mehr Details und parallel dazu den ersten, am 30S, gebundenen Antibiotika.

Danach war der Bann gebrochen, nach am 30S gebundenen Antibiotika konnten wir im Sommer 2001 noch die Struktur der 'mesophilen' großen Untereinheit (50S) von Deinococcus radiodurans (D.r.) sowie die Strukturen der ersten 50S-Antibiotika-Komplexe nachliefern.

*** DESY, Geb. 25b: In den 'heiligen' Räumen Nr: 34+35 wurde der Großteil der 30S (und 2001 auch 50S) Struktur erstellt (was ohne die Biochemie aus Berlin und unzählige Messzeittage natürlich nicht möglich gewesen wäre).

Strukturen heute (März 2010)

Das es auch weiterhin nicht einfach war Ribosomen zu Kristallisieren, beweist die immer noch geringe Zahl der heute vorliegenden 'Grundstrukturen'. Zu den beiden 30S und den zwei 50S Strukturen gesellten sich in fast 10 Jahren nur noch drei 70S Strukturen (vollständiges Ribosom): 70S von Thermus thermophilus von Harry Noller's und Venky Ramakrishnan's Gruppen sowie ein Escherichia coli 70S von Jamie Cate's Gruppe.



Partytime in Hamburg (Dezember 2009)

Wenn auch nur jeweils ein Vertreter für Berlin und Hamburg von Ada mit nach Schweden eingeladen wurde (das es auch anders geht sieht man z.B. bei Venky Ramakrishnan) wurde Ada's Einladung der Jubiläumsfeier des DESY als Ehrengast beizuwohnen zum Anlass genommen ein Treffen von vielen langjährigen Mitarbeitern der Gruppen aus Hamburg und Berlin zu Veranstalten.

Am Nachmittag war der Empfang anlässlich der 50 Jahrfeier des DESY, bei dem sich Ada im goldenen Buch der Freien und Hansestadt Hamburg eintragen durfte. Natürlich waren wir alle eingeladen.

Es war schon Klasse die ehemaligen Kollegen nach zum Teil 15 Jahren wiederzusehen, oder die Nobel-Medaille zu bestaunen und schliesslich noch einmal einen gemeinsamen Ausflug ins Hamburger Rathaus zu machen.