Research Networks

SFB 638 completed

SFB 638 funded by DFG 2004 - 2015
Dynamics of macromolecular complexes in biosynthetic transport

Chairman: Prof. Dr. Felix Wieland
Office: Im Neuenheimer Feld 328, 69120 Heidelberg
Phone: +49(0)6221/54-4150, Fax: +49(0)6221/54-4366
















Extract from the evaluation after 12 years funding:
"…. The Collaborative Research Centre 638 ‘Dynamics of macromolecular complexes in biosynthetic transport’ with Felix Wieland as speaker was most likely one of the most successful DFG-funded research networks. The current final report impressively illustrates the achievements of the CRC which resulted in publications with the PIs of the consortium in the top scientific journals. The collaborative work of the CRC led to major discoveries and new concepts related to intracellular transport of proteins, the structural information of protein complexes and binding characteristics of proteins of the secretory route and the nuclear pore, the dynamic resolution of ER-Golgi transport processes, the regulation of virus transport and assembly and the role of posttranslational modification (sumoylation and mannosylation). Overall, the outcome of three subsequent funded periods of the CRC 683 is awesome and the results had a great worldwide impact on our cell biological understanding of the biosynthetic machinery.
The international visibility of the programme, the career development and the equal opportunities created by the CRC have been (similar to the scientific output) of excellent quality.”

Summary in German and English
Auf unserem Weg, Funktionen makromolekularer Strukturen zu erforschen, haben wir durch das Studium der Dynamik solcher Komplexe, die in intrazelluläre Transportprozesse involviert sind, schönen Fortschritt erzielt.
Wir hatten uns auf Mechanismen spezialisiert, die dem Transport zwischen Kern und Zytoplasma (Bereich B) und dem biosynthetischen Transport vom Ribosom zum Endomembransystem (Bereich A) zugrunde liegen. Dazu machten wir uns das starke Know-how zunutze,das in den Heidelberger Molekularen Lebenswissenschaften zur Verfügung steht. Wir kombinierten grundlegende molekulare Forschung in der Virologie mit biophysikalischen, biochemischen, molekularbiologischen und strukturellen Ansätzen, hauptsächlich in Eukaryonten.
Am Beginn unserer Anstrengungen waren zwar viele Einzelbausteine von Transportmaschinen charakterisiert, aber über höhere Aggregate solcher Bausteine und über deren dynamisches Verhalten, d. h. deren funktionelles Interagieren, war nur wenig bekannt. Diese Zusammenfassung beschränkt sich auf zwei Beispiele dafür, wie die strukturelle Analyse höherer Aggregate, kombiniert mit biochemischen Ansätzen, zu neuen und originellen Erkenntnissen geführt hat.
Die ca. 30 Einzelkomponenten der Kernpore waren zu Beginn des SFB bekannt, aber ihre Interaktionen miteinander oder mit anderen Partnern waren kaum erforscht. Nun konnten innerhalb des SFB nicht nur große Teilstrukturen der Kernpore rekonstituiert werden und damit eine Basis zur Aufklärung ihrer Struktur bieten, sondern es wurden zusätzlich unerwartete funktionelle Interaktionen entdeckt, die zu neuen Konzepten für den Transport von RNA und zur Biogenese von Ribosomen führten.
Ebenso wurden, beruhend auf Studien zur Interaktion des „fühesten“ Chaperons in Bakterien, Trigger Faktor (TF) mit naszierenden Polypeptiden neue Konzepte entwickelt.TF bindet und stabilisiert teilgefaltete Protein Domänen in Bakterien und verhindert Interaktion mit entfernten Partnern. Diese Bindung undNähe zum Ribosom begrenzen die Anzahl möglicher Proteinkonformationen, wodurch Fehlfaltungen der naszierenden Proteine minimiert werden. Die meisten naszierenden Ketten binden TF, sobald sie eine Länge von 100 Resten erreicht haben. Dies ermöglicht die essentiellen Prozessier-Reaktionen durch Peptid Deformylase und Methionin Aminopeptidase. Studien zur Reifung eines heterodimeren Modelproteins zeigten, daß die Assemblierung der Untereinheiten nahe an am Ort ihrer Synthese stattfindet, wo cotranslationale Interaktionen der Ketten stattfinden können. Entsprechend eines neuen Konzepts verlangsamt TF diesecotranslationalen Interaktionen, bis die Dimer-Interaktionsstellen ganz auf der Oberfläche des Ribosomes zugänglich sind.
Da die Erforschung makromolekularer Assemblierungen im Zentrum aller Projekte stand, ergaben sich viele und fruchtbare Diskussionen und Zusammenarbeiten und ein intensiver und ungehemmter Austausch von Methoden und Materialen.
Viele dieser wichtigen methodologischen Aspekte der gemeinsamen Anstrengungen werden in 1.3 aufgeführt. An dieser Stelle sei jedoch betont, dass etwa die zweite Halbzeit des SFB mit der extrem fruchtbaren Entwicklung der Kryo-Elektronenmikroskopie einherging, und dass die Einbindung und die Zusammenarbeit mit Gruppen auf dem Gebiet der Kryo-EM sich für den wissenschaftlichen Fortschritt des SFB als außerordentlich nützlich erwiesen haben.
 
 
On our journey to learn about functions of macromolecular assemblies in a cell by studying the dynamics of such complexes employed in steps of intracellular transport we have made quite some progress. Our focus was on the analysis of mechanisms in transport between nucleus and cytoplasm (Part B) and on biosynthetic transport from the ribosome to the endomembrane system (part A). To this end we capitalized on the ample know how available within Heidelberg Molecular Life Sciences and specifically combined basic molecular research on viral functions with biophysical, biochemical, molecular biological and structural approaches in eukaryotic cells.
 
Whereas at the outset our knowledge of individual building blocks as part of transport machinery was quite complete, only limited information was available as to more sophisticated assemblies of such building blocks and their dynamics, i.e. their functional interplay. In this summary two examples are given of how analyzing structures of higher assemblies combined with biochemical approaches led to novel and original insight.
 
Most of the ca. 30 individual components of the nuclear pore were already categorized at the onset of this CRC, but their interactions and assembly into higher order complexes were poorly understood. Within the SFB, not only was the better part of the nuclear pore reconstituted from many of its individual protein components as a basis to understand its structure, but in addition unexpected functional interactions were defined that led to novel concepts of RNA transport and ribosome biogenesis.
Likewise, novel concepts were reached based on studies of the mechanism of action of ribosome-associated chaperons in co-translational folding and transport of proteins. Trigger factor (TF) is the first chaperon to interact with the nascent protein chain in bacteria TF binds and stabilizes partial protein folds while distant interactions are prevented. Ribosome proximity and TF binding limit conformational sampling of nascent chains suggesting TF can avoid early misfolding or rescue misfolded protein species generated co-translationally. The TF interactome was assessed by ribosome profiling and revealed that most of the nascent polypeptides are clients of TF, but only after they reached about 100 aa residues. This allows enzymatic processing of nascent chains by the essential ribosome interacting enzymes peptide deformylase and methionine aminopeptidase. From studies on maturation of a hetero-dimeric model protein it was observed that assembly of its subunits occurs close to the site of synthesis, involving co-translational interactions of nascent subunits. As a novel concept a role was attributed to TF in delaying the onset of co-translational interactions until the subunit dimer interface is fully exposed on the ribosomal surface.
Studying dynamics of macromolecular assemblies being in the focus of each single project has solicited a continuous mutual interest, and consequently many lifely and fruitful discussions and collaborations, including intense and uninhibited exchange of materials and methods.
The methodological strength of this collaborative effort will be explained in 1.3. Here, I would like to stress that the second part of our research period happened to coincide with the extreme progress of structural elucidation by cryo electron microscopy, and that inclusion of and collaboration with cryo-EM groups has proven extraordinarily useful for our scientific progress.