Neue Wirkstoffziele für die Ribosomenbiogenese

Ribosomen sind die intrazellulären Maschinen die für die Übersetzung der genetischen Information in Proteine verantwortlich sind. Sie bestehen aus einer großen (60S) und einer kleinen (40S) Untereinheit. Die Synthese der Ribosomen ist ein sehr dynamischer und komplexer Vorgang und benötigt die Mitwirkung von etwa 200 transaktiven Faktoren, die mehr oder minder transient in verschieden Reifungsstadien mit den Ribosomenvorläufern interagieren. Aufgrund der dynamischen Natur des Prozesses und der Vielzahl der involvierten Faktoren ist unser Wissen über die Ribosomenbiogenese, insbesondere über sehr frühe Stufen, lückenhaft. Da Inhibitoren wichtige Werkzeuge zur Untersuchung von dynamischen Prozessen sind, haben wir kürzlich im Zuge eines high throughput screenings nach Inhibitoren der Ribosomenbiogenese gesucht. Tatsächlich konnten wir etwa 30 verschiedene chemische Verbindungen isolieren, die die Biogenese der großen ribosomalen Untereinheit in der Hefe hemmen. Ziel des vorliegenden Projektes ist es, die genaue Wirkungsweise ausgewählter Inhibitoren zu untersuchen und ihre Ziele in der Zelle zu identifizieren. In unseren Untersuchungen werden wir uns auf jene Inhibitoren konzentrieren, die sehr frühe Stufen der Biogenese der großen ribosomalen Untereinheit hemmen, da diese Schritte noch wenig verstanden werden. Die detaillierte Untersuchung der Wirkungsweise der Inhibitoren und die Aufklärung der Funktion der Wirkstoffziele in der Zelle wird unser Verständnis der frühen Schritte der Ribosomenbiogenese verbessern und neue Komponenten in diesem Stoffwechselweg identifizieren. Zusätzlich werden wir die Auswirkungen der Inhibitoren auf den zeitlichen Ablauf der Ribosomenbiogenese detailliert untersuchen. Die schnelle Blockierung des Stoffwechselweges durch Inhibitoren wird es uns ermöglichen die frühen Schritte der Ribosomenbiogenese mit hoher zeitlicher Auflösung zu untersuchen, was mit konventionellen Methoden nicht möglich ist. Deshalb wird dieses Projekt auch dazu beitragen die Dynamik des Assemblierungs- und Reifungsprozesses besser zu verstehen. Da Ribosomenbiogenese ein hochkonservierter Prozess ist und besonders für schnellwachsende Zellen von Bedeutung ist, könnten die in diesem Projekt identifizierten Wirkstoffziele auch vielversprechende Kandidaten für die Anti-Tumor Chemotherapie darstellen und die Entwicklung neuer Wirkstoffe für die Behandlung maligner Erkrankungen fördern.

Ribosomen übersetzen die genetische Information in die Aminosäuresequenz von Proteinen. In eukaryontischen Organismen stellt die Bildung neuer Ribosomen, die Ribosomen-biogenese, eine der Hauptaufgaben jeder Zelle dar. Aufgrund der fundamentalen Rolle dieser Organellen ist die Ribosomenbiogenese eng mit Zellzyklus und Energiestoffwechsel koordiniert. Besonders Zellen, die sich schnell teilen sind auf eine effiziente Herstellung neuer Ribosomen angewiesen. Aus diesem Grund werden Inhibitoren der Ribosomenbiogenese derzeit als vielversprechende Möglichkeit angesehen, das Wachstum rasch proliferierender Zellen, wie z.B. Tumorzellen, zu hemmen und haben großes medizinisches Potential. Darüber hinaus können Inhibitoren der Ribosomenbiogenese als Werkzeuge dienen, um den exakten Ablauf dieses Prozesses zu entschlüsseln. Indem man die Ribosomenbiogenese gezielt an bestimmten Stellen inhibiert, ist es möglich bisher unbekannte Zwischenstufen zu identifizieren, um damit ein besseres Verständnis des Ablaufes des Prozesses zu erhalten. Bislang war mit Diazaborin nur ein einziger direkter Inhibitor der Ribosomenbiogenese beschrieben. Daher haben wir im Zuge dieses Projektes mehrere Wirkstoffe, die wir in einem Mikroskopie-basierten Screen identifiziert haben (Awad et al., 2019) näher charakterisiert und deren genaue Auswirkungen auf die Reifung der großen ribosomalen Untereinheit in Hefe untersucht. Durch Analyse der Effekte der Wirkstoffe auf RNA und Proteinebene, konnten wir zeigen, dass diese Inhibitoren auf verschiedenen Stufen des Prozesses eingreifen und uns dadurch die Isolierung und Charakterisierung von neuen, bislang unbeschriebenen Zwischenstufen vor allem in den noch nicht so gut verstandenen frühen Schritten des Prozesses ermöglichen. Weiters konnten wir Mutanten isolieren, die veränderte Sensitivität gegen diese Inhibitoren aufweisen. Unter anderem konnten wir dabei die Usninsäure als neuen Inhibitor der Ribosomenbiogenese identifizieren. Trotz zahlreicher Studien konnte die Wirkungsweise dieses antibakteriellen und antikanzerogenen Stoffes bislang nicht entschlüsselt werden. Wir konnten nun zeigen, dass dieser sekundäre Metabolit aus Flechten spezifisch frühe Schritte der Ribosomenreifung im Nukleolus hemmt. Durch die enge Kopplung zwischen der Ribosomenbiogenese und der Regulierung des Zellwachstums konnte damit die antikanzerogene Wirkung der Usninsäure erklärt werden. Diese Befunde untermauern, dass Inhibitoren der Ribosomenbiogenese nicht nur wertvolle Werkzeuge zur Untersuchung dieses hochdynamischen Stoffwechselwegs sind, sondern auch vielversprechende Kandidaten für die Tumortherapie darstellen.