Cdc123-Defekte verursachen einen Gcd – -Phänotyp

In cdc123-Mutanten ist die Translationsinitiation beeinträchtigt, was sich in einem reduzierten Verhältnis von Polysomen zu Monosomen widerspiegelt (Richter, 2006). Auf Grund der Rolle von Cdc123 für die Integrität des heterotrimeren eIF2-Komplexes ist die Vermutung naheliegend, dass die beobachtete Beeinträchtigung der Translationsinitiation in cdc123-Mutanten auf eine verringerte Verfügbarkeit an ternären Komplexen aus eIF2, GTP und Met-tRNAi zurückzuführen ist (Richter, 2006). Um dies zu überprüfen, wurde die Expression von GCN4 untersucht, welche äußerst sensitiv auf die Konzentration an ternären Komplexen (TC) reagiert. Eine Anordnung von uORFs in der GCN4-mRNA sorgt dafür, dass die Expression von GCN4 bei hohen Konzentrationen an TC gering ist und bei niedrigen TC-Konzentrationen ansteigt (für eine ausführliche Beschreibung vgl. 3.2.3.1). Dieser Mechanismus dient in der Zelle zur verstärkten GCN4-Expression bei Aminosäuremangel: Unter diesen Bedingungen wird die α-Untereinheit von eIF2 (Sui2) durch die Kinase Gcn2 phosphoryliert, wodurch der von eIF2B katalysierte Nukleotidaustausch inhibiert wird. Dadurch sinkt die Menge an eIF2-GTP und damit auch an TC und die Expression von GCN4 steigt an.

Mutationen in den Untereinheiten von eIF2 oder eIF2B, welche zu einer Verringerung der TC-Menge führen, verursachen eine konstitutiv erhöhte GCN4-Expression. Ein wichtiges Merkmal dieses Gcd^– -Phänotyps (general control derepressed) von eIF2- und eIF2B-Mutanten ist die Unabhängigkeit von der Kinase Gcn2. Mit Hilfe eines GCN4-lacZ-Reporters (Hinnebusch, 1985) wurde der Einfluss von cdc123-Mutationen auf die GCN4-Expression untersucht: Bei diesem Konstrukt wird die lacZ-Expression durch den Promotor und die 5’UTR von GCN4 reguliert (Abb. 4.1a). Durch die Messung der β-Galaktosidase(β-Gal)-Aktivität kann somit die GCN4-Expression analysiert werden.

4.1.1 Die rezessiven Allele cdc123Δ327 und cdc123-1 führen zu einem Gcn2-unabhängigen Anstieg der GCN4-Expression

Frank Richter konnte bereits eine Derepression der GCN4-Expression in cdc123-Mutanten nachweisen (Richter, 2006): Dies deutet darauf hin, dass durch die verringerte Assoziation der Untereinheiten in diesen Stämmen die Menge des TC erniedrigt ist. Um einen Einfluss der eIF2-Phosphorylierung auszuschließen, wurde das hypomorphe cdc123Δ327-Allel mit der Deletionsmutante gcn2Δ kombiniert. Die Doppelmutante (cdc123Δ327 gcn2Δ) zeigte eine ähnlich hohe GCN4-Expression wie die cdc123Δ327 Einzelmutante (Abb. 4.1b), d.h. die Derepression der GCN4-Expression durch cdc123Δ327 ist unabhängig von Gcn2 und damit von der eIF2-Phosphorylierung.

39 Abbildung 4.1: cdc123-Mutanten haben einen Gcd^–-Phänotyp.

Heterozygot diploide Stämme wurden mit einem GCN4-lacZ-Reporterplasmid transformiert und sporuliert.

Nach der Tetradenanalyse wurden haploide Nachkommen mit Reporterplasmid in Selektivmedium kultiviert und in der exponentiellen Wachstumsphase geerntet. Die β-Galaktosidase-Aktivität wurde durch einen ONPG-Test bestimmt. Die Ergebnisse der Messung von drei unabhängigen Kulturen sind als Mittelwert mit Standardabweichung dargestellt.

a, Schematische Darstellung des GCN4-lacZ-Reporters: Aufbau der mRNA und Regulation der Translation (zum Mechanismus vgl. auch Abschnitt 3.2.3.1)

b, Haploide Nachkommen der S288c-Stämme W10839 pWS1429 (CDC123/cdc123Δ327-ha3-natMX4 GCN2/gcn2Δ::kanMX6 pWS1429) und W4893 (CDC123/cdc123Δ327-ha3-natMX4 GCN3/gcn3Δ::kanMX4 pWS1429) wurden in SD-U bei 25°C kultiviert. Wachsende Kulturen wurden auf OD₆₀₀=0,1 in SD-U verdünnt, weitere 6 h bei 25°C kultiviert und die β-Galaktosidase-Aktivität gemessen.

c, Haploide Nachkommen des S288c-Stammes W10840 pWS3396 (CDC123/cdc123-1-ha3-URA3 GCN2/gcn2Δ::kanMX6 pWS3396) wurden in SD-L bei 25°C kultiviert, auf OD₆₀₀=0,1 in SD-L verdünnt und für 4 h bei 30°C kultiviert.

d, Haploide Nachkommen von pWS1429-Transformanden der W303-Stämme W9857 (CDC123/cdc123Δ327-ha3-HIS3MX6 GCN2/gcn2Δ::natNT2), W10749 (CDC123/cdc123Δ327-(CDC123/cdc123Δ327-ha3-HIS3MX6 GCN3/gcn3Δ::natNT2) und W10752 (CDC123/cdc123Δ327-ha3-HIS3MX6 SUI2/sui2Δ::natNT2 pRS315-pSUI2-sui2(S51A)-tCYC1) wurden in SD-U bei 25°C kultiviert. Wachsende Kulturen wurden auf OD₆₀₀=0,1 in SD-U verdünnt und weitere 6 h bei 25°C kultiviert.

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Außerdem wurde die Kombination von cdc123Δ327 mit der Deletion von GCN3 untersucht. Gcn3, die α-Untereinheit von eIF2B, ist notwendig für die Inhibition von eIF2B durch phosphoryliertes eIF2.

Dementsprechend verhindert die Deletion von GCN3 den Anstieg der GCN4-Expression bei eIF2-Phosphorylierung (Hinnebusch, 2000). Die Derepression der GCN4-Expression durch das cdc123Δ327-Allel konnte jedoch durch die Deletion von GCN3 nicht verhindert werden, die Doppelmutante (cdc123Δ327 gcn3Δ) zeigte sogar eine höhere GCN4-Expression als die cdc123Δ327 Einzelmutante (Abb. 4.1b). Die Kombination der cdc123- und gcn3-Mutationen führt also zu einer starken Beeinträchtigung der Bildung des TC. Dies steht im Einklang mit dem langsamen Wachstum der Doppelmutanten, welches bei einer Analyse von synthetischen genetischen Interaktionen beobachtet wurde (Richter, 2006).

Der Gcd^–-Phänotyp konnte auch für das temperatursensitive cdc123-1-Allel bestätigt werden: Bei semipermissiver Temperatur (30°C) führte das cdc123-1-Allel zu einer Gcn2-unabhängigen Derepression der GCN4-Expression (Abb. 4.1c).

Auch in einem anderen Stammhintergrund (W303) verursachte das hypomorphe Allel cdc123Δ327 einen Anstieg der GCN4-Expression (Abb. 4.1d), welcher weder durch die Deletion von GCN2 oder GCN3, noch durch die Einführung einer nicht-phosphorylierbaren Sui2-Variante (sui2-S51A) verhindert wurde und dementsprechend unabhängig von der Sui2-Phosphorylierung ist. Wie auch im S288c-Hintergrund beobachtet, trat bei der Kombination von cdc123Δ327 mit gcn3Δ ein synthetischer Effekt auf.

Der Gcd^–-Phänotyp der cdc123-Allele bestätigt, dass Cdc123 wichtig für die Menge an ternären Komplexen ist, und legt somit eine Rolle von Cdc123 für die Funktionalität von eIF2 nahe. Während in diesem Abschnitt rezessive cdc123-Allele untersucht wurden, befasst sich der nächste Abschnitt mit den dominanten Effekten, welche bei der Überexpression von Cdc123(C144S) auftreten.

4.1.2 Die Überexpression von Cdc123(C144S) verursacht eine erhöhte GCN4-Expression

Im Rahmen einer Diplomarbeit wurden drei konservierte Cysteine von Cdc123 (C22, C144, C171) gegen Serin ausgetauscht (Heigl, 2007). Alle Varianten konnten bei Expression vom endogenen Promotor die Deletion von CDC123 komplementieren und die resultierenden Stämme wuchsen ähnlich wie der Wildtyp. Bei der Überexpression durch den GAL1-Promotor zeigte sich jedoch für Cdc123(C144S) ein deutlich verlangsamtes Wachstum, selbst wenn zusätzlich das endogene CDC123 vorhanden war. Der Einfluss der Aminosäuresubstitutionen auf die Interaktion von Cdc123 mit Gcd11 wurde durch Co-Immunpräzipitationen von ha-Cdc123 und Gcd11-myc analysiert. Diese wurden sowohl bei Expression der ha-Cdc123-Varianten durch den endogenen Promotor als auch bei Überexpression durch den GAL1-Promotor durchgeführt und zeigten, dass die Interaktion von

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Cdc123 mit Gcd11 durch den C144S-Austausch nicht beeinträchtigt wurde (Heigl, 2007). Mit Hilfe des GCN4-lacZ-Reporters wurde untersucht, ob die Überexpression von Cdc123(C144S) die Bildung des ternären Komplexes stört, was sich in einem Anstieg der GCN4-Expression widerspiegeln würde.

Dazu wurden Stämme verwendet, welche ein Wildtyp-Gen am CDC123-Lokus und die Überexpressionskonstrukte pGAL1-ha3-CDC123 bzw. pGAL1-ha3-CDC123(C144S) im leu2-Marker enthalten.

Abbildung 4.2: Die Überexpression von Cdc123(C144S) führt zu einem Anstieg der GCN4-Expression und einer Akkumulation der Zellen in der G1-Phase.

a, Die Stämme K699 (WT), W6388 CDC123-tCYC1-LEU2) und W6390 (leu2::pGAL1-ha3-CDC123(C144S)-tCYC1-LEU2) wurden mit dem Reporterplasmid pWS1429 transformiert. Je drei Transformanden wurden in SR-U bei 25°C kultiviert und in der exponentiellen Wachstumsphase wurde 2%

Galaktose zur Induktion des GAL1-Promotors zugegeben. Zu den angegebenen Zeiten wurde die β-Galaktosidase-Aktivität mittels ONPG-Test bestimmt. Die Ergebnisse sind als Mittelwert mit Standardabweichung dargestellt.

b, Zur Analyse der Zellzyklusprogression wurden die Stämme in XYR bei 25°C kultiviert und in der exponentiellen Wachstumsphase 2% Galaktose zugegeben. Zu den angegebenen Zeiten wurden je 1 OD Zellen mit Ethanol fixiert. Die Proben wurden mit Sytox Green gefärbt und im Durchflusszytometer gemessen.