The ribosome is an absolutely fascinating molecule for many reasons. To begin with, it fulfills a universally conserved function in all forms of Life on this planet: the translation of mRNAs into proteins. This universal role is also reflected in the conservation of its building blocks: the ribosomal RNAs (rRNA) and ribosomal proteins (r-protein). The huge ribonucleoparticle
consists of a ...
Abstract (English)
The ribosome is an absolutely fascinating molecule for many reasons. To begin with, it fulfills a universally conserved function in all forms of Life on this planet: the translation of mRNAs into proteins. This universal role is also reflected in the conservation of its building blocks: the ribosomal RNAs (rRNA) and ribosomal proteins (r-protein). The huge ribonucleoparticle
consists of a small (SSU) and a large (LSU) subunit. In the past decades, the information contained in the highly conserved sequence and structure of the ribosomal constituents has proven invaluable to answer evolutionary and phylogenetic questions. Archaea, for example, owe their initial recognition as an independent domain of Life next to bacteria and eukaryotes
to the tedious analysis of ribosomal RNA sequences. The manufacturing process by which
cells make ribosomes is called ribosome biogenesis. It is a complex and tightly controlled task
which is highly demanding in terms of cellular energies and machineries. Intriguingly, besides
some fundamental, shared common principles, ribosome assembly shows a remarkable
variability across the domains of Life. Whereas ribosome biogenesis is relatively well
characterized in bacteria and eukaryotes, we still lack a deeper knowledge how ribosomes are
assembled in the archaeal domain. Strikingly, at the current state of knowledge archaea seem
to combine elements of bacterial and eukaryotic ribosome biogenesis. However, to better
comprehend the guiding principles of ribosome biogenesis in all domains of Life, a more
detailed understanding of this major, cellular task in archaea is necessary. Therefore, the aim
of this work was to characterize key cis- and trans-acting elements involved in the archaeal
ribosome biogenesis pathway. The focus of these studies was on the processing of the SSU
precursor rRNA and in particular on the formation of an archaea-specific circular rRNA
intermediate. With the implementation of biochemical and genetic tools, these studies could
demonstrate the significance of RNA cis-acting elements required for this circularization step.
Moreover, we could identify a novel, trans-acting biogenesis factor in Haloferax volcanii. A
more comprehensive Nanopore-based sequencing approach allowed us to shed light on rRNA
processing pathway in three archaeal model organisms. In addition, other facets like the
organization of rRNA genes, intracellular organization of the translation apparatus or the
regulation of rRNA synthesis in H. volcanii were investigated. Conclusively, the new insights
obtained in these investigations were interpreted in the context of current phylogenetic
debates, like the placement of the eukaryotic lineage in the tree of Life.
Translation of the abstract (German)
Das Ribosom ist aus vielen Gründen ein absolut faszinierendes Molekül. Zunächst erfüllt es
eine universell konservierte Funktion in allen, bekannten Lebensformen auf diesem Planeten:
die Translation von mRNA in Proteine. Diese universelle Rolle spiegelt sich auch in der
Konservierung seiner Bauteile - ribosomale RNA (rRNA) und ribosomale Proteine (r-Proteine),
wider. Der riesige ...
Translation of the abstract (German)
Das Ribosom ist aus vielen Gründen ein absolut faszinierendes Molekül. Zunächst erfüllt es
eine universell konservierte Funktion in allen, bekannten Lebensformen auf diesem Planeten:
die Translation von mRNA in Proteine. Diese universelle Rolle spiegelt sich auch in der
Konservierung seiner Bauteile - ribosomale RNA (rRNA) und ribosomale Proteine (r-Proteine),
wider. Der riesige Ribonukleopartikel besteht aus einer kleinen (SSU) und großen (LSU)
Untereinheit. In den vergangenen Jahrzehnten hat sich die Information, die in der Sequenz
und Struktur der ribosomalen Bestandteile enthalten ist, als unschätzbar wertvoll erwiesen, um
evolutionäre oder phylogenetische Fragen zu beantworten. Archaeen zum Beispiel, haben ihre
ursprüngliche Anerkennung als eigene Domäne des Lebens neben Bakterien und Eukaryoten
der mühsamen Analyse von ribosomalen RNA-Sequenzen zu verdanken. Der
Herstellungsprozess von Ribosomen wird Ribosomen Biogenese genannt. Es ist eine
komplexe, stark kontrollierte Aufgabe, die sehr aufwendig ist, was zelluläre Energie und
Maschinerien angeht. Bemerkenswerterweise gibt es neben grundlegenden, gemeinsamen
Prinzipien eine auffallende Vielfältigkeit der Ribosomen Assemblierung über alle Domänen
des Lebens hinweg. Während die Ribosomen Biogenes in Bakterien und Eukaryoten relativ
gut beschrieben ist, fehlt uns immer noch ein tieferes Verständnis darüber, wie Ribosomen in
der archaellen Domäne assembliert werden. Zum jetzigen Stand des Wissens scheint es
erstaunlicherweise so, als würden Archaeen Elemente der bakteriellen und eukaryotischen
Ribosomen Biogenese kombinieren. Dennoch ist ein detaillierteres Wissen dieser wichtigen,
zellulären Aufgabe in Archaeen notwendig, um die bestimmenden Prinzipien der Ribosomen
Biogenese in allen Domänen des Lebens besser zu verstehen. Deshalb war das Ziel dieser
Arbeit cis- und trans-agierende Schlüsselelemente der archaellen Ribosomen Biogenese zu
charakterisieren. Der Fokus dieser Studie lag dabei auf der Prozessierung der SSU-Vorläufer�rRNA und im speziellen auf der Entstehung eines Archaeen-spezifischen, zirkulären
Intermediates. Durch die Anwendung von biochemischen und genetischen Werkzeugen
konnten die Studien die Bedeutung der cis-agierenden RNA-Elemente, die für diesen
Zirkularisierungs-Schritt nötig sind, aufzeigen. Des Weiteren konnten wir einen neuen, trans�agierenden Biogenese-Faktor in Haloferax volcanii identifizieren. Ein umfassenderer Ansatz
basierend auf Nanopore-Sequenzierung ermöglichte es den rRNA Prozessierungsweg von
drei archaellen Modelorganismen zu beleuchten. Zusätzlich wurden andere Facetten wie die
Organisation von rRNA-Genen, die innerzelluläre Organisation des Translationsapparats oder
die Regulation der rRNA-Synthese in H. volcanii untersucht. Schließlich wurden die in diesen
Untersuchungen neugewonnenen Erkenntnisse im Kontext aktueller, phylogenetischer
Debatten, wie der Platzierung der eukaryotischen Line, interpretiert.
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