Forschungsgruppe
Research Group
Chromosomale Organisation
und Dynamik
Der Herr der Ringe
Chromosome Organization
and Dynamics
The Lord of the Rings
D r. S t e p h a n G r u b e r
W
[email protected]
www.biochem.mpg.de/gruber
Bakterielle Chromosomen im Reagenzglas und
in lebenden Zellen: Elektronenmikroskopische
Aufnahme eines chromosomalen DNAMoleküls aus Bacillus (links), Chromosomen
lebender Bakterien im Fluoreszenzmikroskop
(rechts).
Bacterial chromosomes in a test tube and in
living cells: A chromosomal DNA molecule
from Bacillus observed under the electron
microscope (left), chromosomes in growing
bacteria labeled by fluorescent DNA binding
proteins as seen in a light microscope (right).
Sloof et al., J. Mol. Biol. (1983)
Dr. Stephan Gruber
enn es um beengte Verhältnisse geht,
könnten die sprichwörtlichen Sardinen in
der Dose noch viel vom Erbmaterial lernen: Beim
Menschen etwa messen die fadenförmigen
DNA-Moleküle aneinandergelegt mehr als zwei
Meter – und passen dennoch in einen nur wenige
Tausendstel Millimeter großen Zellkern. Vor jeder
Zellteilung wird das genetische Material zudem
noch verdoppelt, sodass die beiden Zellen jeweils
eine vollständige Kopie erhalten können. Eine
fehlerhafte Aufteilung kann hier aber zu schweren Geburtsfehlern führen oder Krebs auslösen.
Wie die nötige Präzision auf molekularer Ebene
gewährleistet wird, möchte Stephan Gruber mit
seiner Forschungsgruppe „Chromosomale Organisation und Dynamik“ herausfinden.
Für die Aufteilung des genetischen Materials
bei der Zellteilung wird die DNA in einem ersten
Schritt kondensiert und in Form von Chromosomen eng verpackt. Über deren höhere Architektur ist bislang nur sehr wenig bekannt. Gruber
hat das Bakterium Bacillus subtilis gewählt, um
die chromosomale Dynamik zu entschlüsseln.
Zunächst gilt es dabei aufzuklären, wie Chromosomen strukturiert sind und wie sie vor der
Zellteilung mit Hilfe verschiedener molekularer
Maschinen verdoppelt und anschließend auf die
Tochterzellen verteilt werden. Grubers besonde-
W
hen dealing with crowded conditions, the
proverbial canned sardines could learn
a lot from the genetic material: In humans the
thread-like DNA molecules measure more than
two meters when laid out side by side – and still
squeeze into a cell nucleus only a few thousandth
parts of a millimeter in size. Moreover, prior to
each cell division the DNA is duplicated so that
each of the two daughter cells can receive a
complete copy. A faulty distribution of the genetic
material during cell division can lead to severe
birth defects or cancer. How is the precision
required for this task achieved at the molecular
level? This is the question Stephan Gruber and his
Research Group “Chromosome Organization and
Dynamics” are seeking to answer.
Before the cell divides, the two copies of its
genetic material must be precisely distributed.
To accomplish this, DNA is first condensed and
tightly packed in the form of chromosomes.
So far little is known about their higher-order
structure. Gruber and his team selected the
bacterium Bacillus subtilis as model organism to
study chromosome dynamics. First, they want to
find out how chromosomes are structured, how
they are copied prior to cell division by means of
various molecular machines and how they are
subsequently segregated into the daughter cells.
SMC-Proteinkomplexe bilden
ringförmige Strukturen,
die DNA-Moleküle (grau)
umklammern und damit das
Chromosom in Schlaufen
legen.
SMC protein complexes
form ring-like structures that
entrap DNA molecules (grey)
to shape chromosomes into a
series of loops or coils.
res Augenmerk gilt dem bakteriellen SMC-KleisinKomplex. Dieser wird auch Condensin genannt
und ist in den meisten Bakterien sowie in allen
Tieren und Pflanzen eine Schlüsselkomponente
mit ähnlicher Funktion.
Die Untereinheiten von Condensin bilden zusammen eine Ringstruktur, die an die Chromosomen bindet, indem sie deren DNA umfasst.
Ähnlich wie Karabiner, die beim Klettern Seile am
Felsen fixieren, halten diese Ringe DNA-Moleküle
zusammen – und legen so die Chromosomen in
Schlaufen oder Windungen. Zunächst will Gruber
mit seinem Team aufklären, wie SMC-Ringe ihren
Platz am Chromosom finden und wie dort nur
ganz bestimmte Chromosomenbereiche zusammengehalten, andere aber ausgespart werden.
Zudem soll die Öffnung des SMC-Ringes identifiziert werden, also die Eintrittsstelle der DNA.
Diese Fragen gehen die Forscher mit Hilfe
breitgefächerter Methoden an, darunter bildgebende Verfahren und die biophysikalische Analyse von Protein-DNA-Interaktionen. Das Team
will zudem die dreidimensionale Architektur von
Chromosomen entschlüsseln und die zellulären
Prozesse mit Hilfe aufgereingter Komponenten
nachvollziehen. Schon jetzt spielen die Schlüsselproteine der Chromosomen-Duplikation und -Segregation eine wichtige Rolle bei der Herstellung
von Antibiotika. Ein besseres Verständnis dieser
molekularen Mechanismen könnte möglicherweise neue Angriffspunkte in bakteriellen Erregern
identifizieren – und helfen, die ChromosomenSegregation in höheren Organismen aufzuklären.
The special research interest of Gruber’s group
is the bacterial SMC-kleisin complex, also called
condensin. Condensin is a key component with
similar function in most bacteria and in all animals
and plants.
Together, the subunits of condensin form a
ring structure which binds to the chromosomes
by embracing their DNA molecules. Like
carabiners that secure climbing ropes to rocks,
these rings hold the DNA molecules together –
thus assembling the chromosomes in loops or
coils. As first step, Gruber and his team want
to elucidate how SMC rings find their position
on the chromosome and why only particular
chromosome regions are held together there,
whereas others are left out. Moreover, the
researchers want to identify the opening of the
SMC ring, that is, the entry point for DNA.
The scientists will use a wide spectrum of
methods to address these questions, among
them imaging techniques and biophysical analysis
of protein-DNA interactions. In addition, the team
will decipher the three-dimensional architecture of
chromosomes and recapitulate cellular processes
using purified components. The key proteins
of chromosome duplication and segregation
already play an important role as targets for
many antibiotics. A better understanding of these
molecular mechanisms could potentially facilitate
the identification of new drug targets in bacterial
pathogens – and help elucidate chromosome
segregation in higher organisms.
Dr. Stephan Gruber
2006
PhD in Chemistry with Kim Nasmyth, Research Institute of Molecular Pathology (IMP), Vienna,
Austria
2006 – 2010 Postdoctoral Fellow with Jeff Errington, CBCB, Newcastle University, UK
Since 2010 Head of the Research Group “Chromosome Organization and Dynamics“ at the MPI of Biochemistry,
Martinsried
Selected Publications
Soh YM, Bürmann F, Shin HC, Oda T, Jin KS, Toseland CP, Kim C, Lee H, Kim SJ,
Kong MS, Durand-Diebold ML, Kim YG, Kim HM, Lee NK, Sato M, Oh BH and
Gruber S (2015). “Molecular basis for SMC rod formation and its dissolution
upon DNA binding” Molecular Cell 22, 290-303.
Bürmann F, Shin HC, Basquin J, Soh YM, Gimenez-Oya V, Kim YG, Oh BH and
Gruber S (2013). “An asymmetric SMC-kleisin bridge in prokaryotic condensin“
Nature Structural & Molecular Biology 20, 371-379.
Gruber S and Errington J (2009). “Recruitment of Condensin to Replication Origin Regions by ParB/SPo0J Promotes Chromosome Segregation in B. subtilis“
Cell 137, 685-696.
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