Structural Analysis of a 31- Protein Assembly on DNA Elucidates Transcription Initiation and Regulation

21. Jahrgang | April 2015

Im Fokus: Abteilung Molekularbiologie Structural analysis of a 31- protein assembly on DNA elucidates transcription initiation and regulation

Auszeichnungen Henrik Bringmann erhält ERC Starting Grant

Nah dran Eine Methode schreibt Geschichte INHALT 3 Structural analysis of a 31-protein assembly on DNA elucidates transcription initiation and regulation Im Fokus: Abteilung Molekularbiologie

6 Patrick Cramer erhält Arthur-Burkhardt-Preis Direktor der Abteilung Molekularbiologie für seine interdisziplinäre Forschungsarbeit ausgezeichnet

8 ERC Starting Grant für Henrik Bringmann Leiter der Forschungsgruppe Schlaf und Wachsein wird vom Europäischen Forschungsrat mit 1,5 Millionen Euro gefördert

9 Eine Methode schreibt Geschichte Klaus Weber und Mary Osborn veröffentlichten vor 45 Jahren ein Paper, das zum Zitationsklassiker wurde

13 Drei Sterne für das Institut Zu Ehren der Nobelpreisträger soll im Bereich des Foyers ein Walk of Fame entstehen

14 Zukunftstag steht vor der Tür Am 23. April besuchen wieder Schülerinnen und Schüler ab der 5. Klasse das Institut / GWDG-Nachrichten

15 Bericht aus der Biologisch-Medizinischen Sektion Dietmar Riedel, Vertreter des MPI-BPC, gibt einen Überblick über die Themen auf der MPG-Sektionssitzung Fig.1. Architecture of the promoter assembly for regulated transcription initiation as revealed by cryo-electron microscopy. The electron density is transparent, revealing the polymerase (silver), general transcription factors (red, green, purple), and the core Mediator head module (blue). The remainder of the core Mediator corresponds to the middle module and is shown in dark blue. Pro- moter DNA is depicted as a ribbon model in blue and cyan, and the initial RNA transcript is in red. (Taken from: Plaschka C, Larivière L, Wenzeck L, Seizl M, Hemann M, Tegunov D, Petrotchenko EV, Borchers CH, Baumeister W, Herzog F, Villa E, Cramer P: Architecture of the RNA polymerase II–Mediator core initiation complex. Nature 518, 376–380 (2015))

Starting to get the message

Structural analysis of a 31-protein assembly on DNA elucidates transcription initiation and regulation

Clemens Plaschka and Patrick Cramer Department of Molecular Biology

ene transcription is a fundamental process in living studied a 31-subunit assembly that contained a minimal tran- cells. It is the first step in the expression of the genome, scription initiation complex and the essential core of Mediator. Gand its regulation underlies cell differentiation and Using cryo-electron microscopy and protein crosslinking organism development. During transcription, the enzyme RNA analysis, we determined its architecture at 9.7 Å resolution polymerase II copies genes to produce messenger-RNA, which (Fig. 1). This breakthrough was possible only after we had serves as the template for protein synthesis. Transcription is established how to prepare a stable and functionally active mainly regulated at the initiation stage, when the polymerase core Mediator. assembles on promoter DNA with the general transcription Mediator poses a formidable challenge to the structural factors and the Mediator complex. Mediator receives signals biologist. It contains 25 subunits and has a molecular weight from regulatory factors and assists in the assembly of the tran- of 1.4 megadaltons. Furthermore, it is modular, flexible, and scription initiation machinery at gene promoters. Because of post-translationally modified. After a decade of work, we the large size and complexity of the promoter assembly, its learned that the essential core of Mediator could be prepared structural organization remained poorly understood. by co-expression of 15 selected subunits in bacteria. In a In an interdisciplinary team effort, we have now obtained a bottom-up approach, Sonja Baumli, Tobias Koschubs, detailed view of the promoter assembly from yeast and could Martin Seizl, and Laurent Lariviére had added more and more outline how regulated transcription initiation occurs [1]. We subunits. Along the way, we revealed the structure of stable

Im Fokus: Abteilung Molekularbiologie 3 Patrick Cramer (left) and Clemens Plaschka

Mediator subassemblies by X-ray crystallography [2], including Elizabeth Villa in the laboratry of Wolfgang Baumeister (Max a large subassembly, called the head module [3]. Planck Institute of Biochemistry, Martinsried) and, in parallel, When initial preparations of core Mediator became we worked with Franz Herzog (Ludwig-Maximilians-Univer- available, we elucidated its subunit architecture by sität München) to carry out crosslinking analysis of the entire protein crosslinking and mass spectrometry together with the assembly. Soon the pieces came together. Like a three- laboratory of Christoph Borchers (University of Victoria, dimensional puzzle, we were able to arrange available crystal Canada). To facilitate structural studies, we further optimized structures of subunits and subassemblies. Eventually, we inte- the core Mediator preparation protocol. With assistance from grated all available information into one architectural model Larissa Wenzeck (Ludwig-Maximilians-Universität München) of the promoter assembly. we achieved preparation of core Mediator in large amounts The results showed how the general transcription factors and with very high purity. Recombinant core Mediator was cooperate with the polymerase to bind promoter DNA and functionally active, demonstrating its integrity and relevance to position the start site of transcription. They also suggested for understanding regulated transcription initiation. how Mediator functions to switch transcription on: The The core Mediator bound to polymerase, yet the resulting Mediator head module contacts regions of the polymerase and complex was not stable enough to be analyzed by electron TFIIB and stabilizes the promoter assembly. Other regions of microscopy. Fortunately, Sarah Sainsbury, Wolfgang Mühlbacher, Mediator may control polymerase conformation and can and Merle Hantsche had just succeeded to reconstitute a bridge to regulatory factors bound to upstream DNA, minimal Pol II initiation complex that contained the polymerase allowing for different transcriptional outputs. and the general transcription factors TBP, TFIIB, and TFIIF [4]. The work also enabled us to imagine how even larger promoter This minimal initiation complex bound more tightly to core assemblies look like (Fig.2). This became possible by compar- Mediator and enabled reconstitution of a 31-subunit assembly ing our structure with electron microscopic results obtained with a mass of 1.2 megadaltons. with a related complex by the laboratory of Eva Nogales This finally opened the door to structural studies. We (University of California, USA). Our colleagues had recently pursued cryo-electron microscopy in collaboration with reported the architecture of a human promoter assembly that

4 Im Fokus: Abteilung Molekularbiologie Fig. 2. Model of the complete and conserved promoter assembly. The locations of additional general transcription factors (yellow, magenta, orange) and the Mediator tail module (cyan) were inferred from work of the Nogales and Asturias groups. The resulting model suggests a complete and conserved promoter assembly and identifies important regulatory domains of Mediator.

lacked Mediator but instead contained the general factor TFIIH, parts of Mediator? How do these influence transcriptional which was absent in our assembly. A comparison with their output? What is the structure of the 10 subunit TFIIH work suggested how Mediator and TFIIH cooperate for complex? How does TFIIH cooperate with the polymerase successful transcription initiation and how this may result and the general factor TFIIE to open promoter DNA and form in release of the polymerase into the gene body for elonga- a transcription bubble? What is the structure of TFIID, and tion of the messenger-RNA chain. It also revealed that the how does this additional general factor contribute to promoter transcription initiation complex is highly conserved through- recognition? Finally, how does the initiation complex interact out eukaryotes, showing that studies of yeast complexes are with the first nucleosome it encounters near the transcription directly relevant for understanding human gene transcription start site? Answers to these questions will require strategies to and its deregulation in disease. prepare transient multiprotein complexes, the integration of Many open questions on transcription initiation remain. available structural biology techniques, and complementary Can we obtain higher resolution and reveal more mechanistic functional investigations in vitro and in vivo using system- details? What is the structure and location of the remaining wide approaches.

References

1. Plaschka C, Larivière L, Wenzeck L, Seizl M, Hemann M, Tegunov D, 3. Larivière L*, Plaschka C*, Seizl M, Wenzeck L, Kurth F, Cramer P: Petrotchenko EV, Borchers CH, Baumeister W, Herzog F, Villa E, Structure of the Mediator head module. Nature 492, 448-451 (2012). Cramer P: Architecture of the RNA polymerase II-Mediator core initiation (*These authors contributed equally) complex. Nature, doi:10.1038/nature14229 (2015). 4. Mühlbacher W, Sainsbury S, Hemann M, Hantsche M, Neyer S, 2. Larivière L, Seizl M, Cramer P: A structural perspective on Mediator Herzog F, Cramer P: Conserved architecture of the core RNA polymerase function. Curr Opin Cell Biol 3, 305-313 (2012). II initiation complex. Nature Commun 5, 4310 (2014).

Im Fokus: Abteilung Molekularbiologie 5 Arthur-Burkhardt-Preis für Patrick Cramer

Patrick Cramer, Direktor am MPI-BPC, hat den diesjährigen Arthur-Burkhardt-Preis erhalten. Damit würdigt die Arthur-Burkhardt-Stiftung für Wissenschaftsförderung den Biochemiker für seine interdisziplinären Forschungsarbeiten zu einem elementaren Prozess des Lebens – der Abschrift von Genen, Transkription genannt. Patrick Cramer hat wichtige Details auf-geklärt, wie die im Erbgut gespeicherten Informationen ausgelesen und genutzt werden. Der mit 10 000 Euro dotierte Preis wurde am 18. März in Stuttgart am MPI für Festkörperforschung feierlich verliehen.

atrick Cramer erhält diese Aus- Dabei spiele der Brückenschlag zwi- eine Arbeitskopie, die Boten-RNA, um. zeichnung für seine hervorragen- schen den Natur- und Geisteswissen- Diese Arbeitskopie dient dann als Bau- Pden wissenschaftlichen Leistungen schaften eine wesentliche Rolle. Diesen anleitung für die Produktion von Protei- im Bereich der Lebenswissenschaften, Brückenschlag zu fördern sei ganz im nen, den „Arbeitern“ in lebenden Zellen. aber auch für sein wissenschaftspoli- Sinne des Stiftungszwecks. Wie die Transkription in der Zelle tisches und gesellschaftliches Engage- In seiner Abteilung Molekularbiolo- funktioniert, hat Cramer in einem ersten ment, etwa als Mitglied des Instituts für gie möchte der Forscher die Abschrift Videoclip in 3D „gefilmt“: In atomarer Technik-Theologie-Naturwissenschaften der Gene in der Zelle Schritt für Schritt Auflösung zeigt die Filmsequenz, welche in München“, betonte der Vorsitzende analysieren und im atomaren Detail dreidimensionale Struktur die Pol II bei des Stiftungsrats, Jörg Hacker, in seiner sichtbar machen. „Denn die Gene in ihren verschiedenen Aufgaben und mit Erklärung zur Wahl des Preisträgers. unserem Erbgut sind eigentlich stumm unterschiedlichen Bindungspartnern in „Der Preis ist vor allem auch eine und müssen erst zum Sprechen gebracht der Zelle einnimmt. Der Videoclip offen- Auszeichnung für meine hochmotivier- werden“, erklärt Patrick Cramer. Diese bart Wissenschaftlern aber noch mehr: ten Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter“, „Übersetzung“ übernimmt eine hoch- Er zeigt, wo die Regulation der Transkrip- freut sich Patrick Cramer. In seiner Fest- komplexe biologische Nanomaschine – tion ansetzt – ein weiterer Forschungs- rede analysierte der Biochemiker, wie die RNA-Polymerase II (Pol II). Sie schwerpunkt des Preisträgers. Patrick neues Wissen in die Welt kommen kann. schreibt die DNA-Sequenz eines Gens in Cramers Ziel ist es, die Regulations-

6 Aktuelle Pressemitteilungen Anja Hamann, Vertreterin der Stifterfamilie und Enkelin des Stifters Arthur Burkhardt, überreicht Patrick Cramer die Urkunde zum Arthur-Burkhardt-Preis. (Bild: Arthur-Burkhardt-Stiftung)

Patrick Cramer studierte Chemie an den Universitäten Stuttgart und Heidelberg mit Forschungsaufenthalten in Bristol und Cambridge (Großbritannien). Nach Abschluss seiner Doktorarbeit am European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Grenoble (Frankreich) im Jahr 1998 forschte er an der Stanford University (USA) im Labor des späteren Nobelpreisträgers Roger Kornberg. Im Jahr 2001 wechselte er als Professor für Biochemie an das Genzentrum der Ludwig-Maximilians-Universität in München, dessen Direktor er von 2004 bis 2013 war. Seit 2014 ist er Direktor und Abteilungsleiter am MPI-BPC. Für seine Forschungsarbeiten erhielt Patrick Cramer zahlreiche wissenschaftliche Auszeichnungen, darunter der Feldberg-Preis, der Ernst Jung-Preis für Medizin und der Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis der Deutschen Forschungs- gemeinschaft. Im Jahr 2012 wurde er mit dem Bundesverdienstkreuz ausgezeichnet.

prinzipien der Transkription nicht nur molekular und mechanistisch, sondern Über den Preis auch genomweit und quantitativ aufzu- Der Arthur-Burkhardt-Preis wird jährlich an Wissenschaftler ver- klären. Dazu kombiniert seine Arbeits- liehen, deren Forschung darauf ausgerichtet ist, Erkenntnisse der gruppe die Methoden der Strukturbio- Geistes- und Naturwissenschaften zu verbinden. Die Stiftung logie mit funktionaler Genomik und zur Förderung dieser beiden Wissenschaftsrichtungen wurde im Bioinformatik. Jahr 1983 von Arthur Burkhardt, dem damaligen Vorstandsvor- Über diesen interdisziplinären Ansatz sitzenden der Württembergischen Metallwarenfabrik (WMF), will er aufklären, wie Gene auf moleku- gegründet. Sein besonderes Anliegen war es, interdisziplinäre larer Ebene an- und abgeschaltet werden Forschungsarbeit zu fördern. So sollen Brücken von bahnbre- und wie die Aktivität tausender Gene chenden Entwicklungen in Wissenschaft und Technik hin zu im Genom auf zellulärer Ebene kon- den Geisteswissenschaften geschlagen werden, um der Frage trolliert wird. So soll seine Forschung nach der ethischen Verantwortung der Naturwissenschaften auch dazu beitragen, die neuen Gebie- stärkeres Gewicht zu verleihen. Der Preis ist mit 10 000 Euro te der Genombiologie und der Moleku- dotiert. laren Systembiologie weiterzuentwickeln. (cr/es)

Aktuelle Pressemitteilungen 7 Henrik Bringmann erhält ERC Starting Grant

Der Biologe Henrik Bringmann vom MPI-BPC hat einen der begehrten ERC Starting Grants des Europäischen Forschungsrats (ERC) erhalten. Dem Wissenschaftler stehen damit 1,5 Millionen Euro für seine Arbeit zur Verfügung. Er erforscht molekulare Mechanismen des Schlafs an dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans.

etzt ist der Vertrag unterschrieben: Die Förderverein- barung über einen ERC Starting Grant garantiert Henrik JBringmann 1,5 Millionen Euro für seine Forschung in den nächsten Jahren. „Diese Auszeichnung eröffnet mir großartige neue Möglichkeiten in meiner Arbeit“, sagt Henrik Bringmann. Mit den ERC Starting Grants fördert die Europäische Union die Arbeit von Nachwuchswissenschaftlern, deren bisherige Leistungen besonders vielversprechend sind. Bei der siebten Aus- schreibung bewarben sich 3273 Forscher. 328 Anträge, darunter der von Henrik Bringmann, waren erfolgreich und werden nun mit insgesamt 485 Millionen Euro gefördert. Die Förderquote liegt damit bei etwa zehn Prozent. „Bei den ERC Grants waren die Göttinger MPIs bisher sehr erfolgreich. Mit Henrik Bringmann haben seit 2007 nun schon 14 ihrer Wis- senschaftler diese prestigeträchtige Auszeichnung erhalten“, berichtet Kerstin Mosch vom EU-Referat am MPI-BPC. Henrik Bringmann leitet am Institut die Max-Planck-For- schungsgruppe Schlaf und Wachsein. Er untersucht, was auf molekularer Ebene in Nervenzellen passiert, wenn wir schlafen. Für seine Experimente nutzt er den Fadenwurm Caenorhabditis elegans als einfachen Modellorganismus. Bei komplexeren Tieren steuert ein ganzes Netzwerk von Nervenzellen den Schlaf. Im Fadenwurm hingegen ist nur eine einzige Nerven- zelle, RIS genannt, für das Einleiten des Schlafs verantwortlich, wie Henrik Bringmann herausfand. Daher eignet sich der Wurm hervorragend, um grundlegende Mechanismen des Schlafs zu untersuchen. Schlaf ist für Menschen wie Tiere unverzichtbar. Schlaf- entzug hat fatale Folgen. Über die molekularen Mechanismen des Schlafs ist jedoch bisher nur wenig bekannt. Henrik Bring- mann erforscht, was genau passiert, wenn Nervenzellen in den Schlafmodus wechseln. „Die RIS-Nervenzelle des Fadenwurms Henrik Bringmann kann als stark vereinfachtes Modell für Nervenzellen dienen, promovierte nach seinem Studium in Heidelberg die im Schlaf aktiv sind“, erklärt Henrik Bringmann. „Sie lässt von 2003 bis 2007 über Mechanismen der sich leicht manipulieren. Ich möchte herausfinden, wie genau Zellteilung von Caenorhabditis elegans am diese Nervenzelle aktiviert wird und was dabei auf molekularer MPI für Zellbiologie und Genetik in Dresden. Ebene geschieht.“ Darüber hinaus will Henrik Bringmann den Anschließend forschte er am Laboratory of Wurm nutzen, um zu ergründen, wie derartige Nervenzellen Molecular Biology in Cambridge (England). Seit die Schlafmenge kontrollieren und was sich im Nervensystem 2009 ist er Leiter der Max-Planck-Forschungs- insgesamt ändert, wenn das Tier schläft. gruppe Schlaf und Wachsein am MPI-BPC. Nervenzellen, die Schlaf einleiten und die der RIS-Nerven- Für seine herausragende wissenschaftliche zelle ähneln, finden sich in allen Tierarten. Daher ist sich der Leistung während seiner Doktorarbeit erhielt Biologe sicher, dass seine Erkenntnisse über die RIS-Nervenzelle Henrik Bringmann im Jahr 2008 die Otto-Hahn- des Fadenwurms dazu beitragen, zu verstehen, wie derartige Medaille der Max-Planck-Gesellschaft. Nervenzellen generell funktionieren. „Diese Arbeiten werden ein komplett neues Forschungsfeld eröffnen, das sich mit den im Schlaf aktiven Nervenzellen von wirbellosen Tieren be- schäftigt“, so Henrik Bringmann. „So können wir viel über die molekularen Grundlagen des Schlafs lernen.“ (fk)

8 Aktuelle Pressemitteilungen Mary Osborn und Klaus Weber Ende der 1960er Jahre in Mexiko. Gemeinsam veröffentlichten sie 1969 ein Paper im Journal of Biological Chemistry (links), das es jetzt in die Bestenliste der meistzitierten Artikel der Wissenschaftsgeschichte geschafft hat.

Eine Methode schreibt Geschichte

Es ist einer der meistzitierten Fachartikel in den Naturwissenschaften: Klaus Weber und Mary Osborn, emeritierte Forscher am MPI-BPC, veröffentlichten vor mehr als 45 Jahren eine wegweisende Arbeit. Sie machte die sogenannte Polyacrylamid- Gelelektrophorese in kürzester Zeit zur Standard-Methode, um das Molekular- gewicht von Proteinen zu bestimmen. Damit schafften sie es auf Platz 30 in der Liste der top 100 papers, die in der Zeitschrift Nature erschienen ist. Ein Blick zurück.

er es in der Wissenschaft zu etwas bringen will, dass der Artikel so viele Zitate sammelt“, erklärt Klaus Weber, muss erfolgreich publizieren. Und das heißt: ehemaliger Direktor am MPI-BPC, heute. „Ich habe ihn selbst WErgebnisse in angesehenen Fachzeitschriften zu kaum zitiert. Schließlich hat sich die Methode schnell als Stan- veröffentlichen. Ebenso wichtig ist es aber, dass andere For- dard etabliert, und einen Standard muss man eigentlich nicht scher die eigenen Arbeiten lesen und zitieren. Daran erinner- zitieren.“ Das sahen viele Wissenschaftler offenbar anders. te jüngst die Zeitschrift Nature mit ihrem Sonderbeitrag The Wohl jeder Forscher, der Proteine entsprechend ihrer Grö- top 100 papers. In dem Artikel listet die Zeitschrift die 100 ße voneinander trennen möchte, nutzt dafür heutzutage die wissenschaftlichen Veröffentlichungen auf, die seit dem Be- SDS-PAGE. Die Methode ist so einfach wie verlässlich, und ginn des 20. Jahrhunderts am häufigsten zitiert wurden. vor allem ist sie vergleichsweise schnell: Innerhalb nur eines Jener Artikel, der die Sodiumdodecylsulfat-Polyacrylamid- Arbeitstages hat man das Ergebnis. In der heutigen Zeit eine Gelektrophorese, kurz SDS-PAGE, als Standard zur Größen- Selbstverständlichkeit. Doch das war nicht immer so. bestimmung von Proteinen etablierte, sammelte seit seinem Ende der 1960er Jahre arbeiteten Klaus Weber als Assistant Erscheinen 23 642 Zitate (Stand: 7. Oktober 2014) – Platz 30 Professor und Mary Osborn als Postdoktorandin in der Gruppe in der ewigen Bestenliste. Er erschien im Jahr 1969 unter dem von Nobelpreisträger James Watson an der Harvard University Titel The Reliability of molecular weight determinations with (USA). Zu jener Zeit waren Forschungsgelder knapp und der dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis im Journal Erfolgsdruck hoch. Proteine zu identifizieren und ihre Grö- of Biological Chemistry. Geschrieben haben ihn Klaus Weber ße zu bestimmen war noch eine mühselige und recht teure und Mary Osborn. „Ich habe überhaupt nicht damit gerechnet, Angelegenheit. Mehrere Tage konnten vergehen, bis man sich

Nah dran 9 des Ergebnisses sicher sein konnte. Und ausprobiert und vermochten deren war ein Meilenstein.“ Tatsächlich ent- auch dann war das Resultat oft nicht Größe lediglich mit einer gewissen Un- wickelte sich die SDS-PAGE innerhalb exakt. Nicht selten wurden falsche Mo- sicherheit anzugeben. Klaus Weber er- weniger Jahre zur Standard-Methode. lekulargewichte publiziert. kannte sofort, dass ihm diese Methode „Es war fantastisch zu sehen, wie immer Vor einem solchen Problem stand da- helfen konnte, das genaue Molekular- mehr Wissenschaftler die SDS-PAGE mals auch Klaus Weber. Er forschte an ei- gewicht der ATCase-Untereinheiten zu nutzten“, erzählt die Zellbiologin begeis- nem Enzym der Pyrimidin-Synthese, der bestimmen. Er nutzte die Chance – im tert. Heute ist die Methode aus keinem Aspartat-Transcarbamylase (ATCase), und folgenden Jahr publizierte er in Nature Labor mehr wegzudenken. wollte die Aminosäuresequenz von ei- nicht nur die Aminosäuresequenz der Wie wichtig sie für die Molekular- ner der beiden Untereinheiten ermitteln. kleinen Untereinheit, sondern auch das biologie ist, zeigt der Blick in die Liste Ein Kollege hatte das Molekulargewicht korrekte Molekulargewicht von beiden der 100 meistzitierten Artikel – die Ar- der ATCase-Untereinheiten berechnet. ATCase-Untereinheiten, das er mittels beit des Göttinger Forscherpaars ist Doch Klaus Weber fand in seinen ei- SDS-PAGE bestimmt hatte. dort nicht die einzige, die zur Entwick- genen Gelen nur Proteine, die deut- Doch die Möglichkeiten der SDS- lung der SDS-PAGE beitrug: Es findet lich kleiner schienen. Fehlte ein Teil der PAGE ließen Klaus Weber so schnell nicht sich auch die Arbeit von Harry Towbin Proteine? Oder stimmte das Molekular- los: „Jetzt fragten wir uns, ob die Methode und Kollegen, in dem sie den Protein- gewicht nicht? Mit den damals verfüg- nicht allgemein geeignet ist, das Moleku- transfer vom Gel auf eine Nitrozellu- baren Methoden kam er nicht weiter – largewicht von Proteinen zu bestimmen“, lose-Membran beschrieben. Auch eine er steckte in einer Sackgasse. Das sei erinnert er sich. Gemeinsam mit Mary Veröffentlichung von Ullrich Laemmli für ihn als Wissenschaftler sehr frustrie- Osborn machte er sich daran, die Ver- ist ein Zitationsklassiker. Er stellte in rend gewesen, sagt Klaus Weber rück- lässlichkeit der SDS-PAGE zu prüfen. Sie dem 1970 erschienenen Artikel einen blickend. wählten 40 Proteine, deren Molekular- neuen TRIS-haltigen Puffer für die Gel- gewicht sie genau kannten, und trenn- elektrophorese vor, den heute jeder ten sie auf SDS-Polyacrylamidgelen auf. Molekularbiologe unter dem Namen Als sie die Größe der Proteine logarith- Laemmli-Puffer kennt. misch gegen ihr Wanderverhalten im Die Arbeit über die SDS-PAGE war Gel auftrugen, ergab sich eine nahezu für Klaus Weber und Mary Osborn der perfekte lineare Korrelation. „Das von Beginn einer langen und erfolgreichen uns bestimmte Molekulargewicht war so Zusammenarbeit: Über 200 wissen- viel genauer, weil wir die besseren Stan- schaftliche Artikel haben sie gemein- dards hatten“, betont der Protein-Chemi- sam veröffentlicht. Mitte der siebziger ker Klaus Weber nicht ohne Stolz. Jahre führten sie übrigens zusammen mit Die Arbeit von Arnold Shapiro hatte Elias Lazarides eine weitere Methode den proof of principle erbracht, dass ein, die heute in der Forschung weltweit die SDS-PAGE sich per se eignet, um verbreitet ist: Es war ihnen gelungen, Pro- Proteingrößen zu bestimmen. In ihrem teine des Zytoskeletts mithilfe speziell Die SDS-PAGE ist heute aus keinem molekularbiolo- heute berühmten Artikel zeigten Klaus markierter Antikörper unter dem Licht- gischen Labor mehr wegzudenken. Mit ihr werden Weber und Mary Osborn nun, dass die mikroskop in Farbe sichtbar zu machen. Proteine nach ihrem Molekulargewicht aufgetrennt. Methode verlässlich und breit einsetz- Die Technik – als Immunfluoreszenz- bar ist. Und die SDS-PAGE hatte noch Mikroskopie bekannt – hat die Visua- einen weiteren Vorteil, wie Mary Osborn lisierung von Zellstrukturen revolutio- Die Lösung brachte Ende 1967 ein erklärt: „In dem reduzierenden Milieu niert. (fk) Artikel von Wissenschaftlern der New des Gels war es erstmals möglich, Unter- York University (USA). Arnold Shapiro, einheiten von Proteinen komplett vonein- Eladio Viñuela und Jakob Maizel hatten ander zu trennen. Jede Protein-Unter- Originalveröffentlichung die SDS-PAGE erstmals benutzt, um einheit tauchte nur als eine einzige Weber K, Osborn M: The reliability of Proteine nicht nur voneinander zu tren- Bande entsprechend ihres Molekular- molecular weight determinations by nen, sondern auch, um ihr Molekularge- gewichts auf. Damit eignete sich die dodecyl sulfate-polyacrylamide gel wicht zu bestimmen. Allerdings hatten Technik auch, um die Qualität von Pro- electrophoresis. J Biol Chem 244, die Autoren nur einige wenige Proteine teinaufreinigungen zu überprüfen. Das 4406-4412 (1969).

Die top 100 papers Die Zahlen, mit denen Nature die 100 meistzitierten naturwissenschaftlichen Artikel ermittelt hat, entstammen dem Science Citation Index, der seit 1964 die Zitate in der Forschungsliteratur dokumentiert und alle Publikationen seit dem Beginn des 20. Jahrhunderts erfasst. Um einen Plzatz in der Top 100-Liste zu ergattern, waren 12 119 Zitate nötig. Mit 205 148 Referenzen am häufigsten zitiert wurde ein Artikel von Oliver Lowry, in dem er 1951 eine Me- thode vorstellte, mit der sich Proteinmengen in Lösung bestimmen lassen. Der größte Teil der meistzitierten Arbeiten beschreibt Methoden oder Software. Übrigens: Die sogenannten „high impact journals“ Nature, Science und Cell stellen mit zusammen sieben Arbeiten nur eine kleine Minderheit in der Bestenliste. Der Sonderbeitrag von Nature und die vollständige Liste finden sich unter www.nature.com/top100

10 Nah dran A modern slab gel at the MPI-BPC. In the experiments for their paper that became a citation classic, Klaus Weber and Mary Osborn still used tube gels.

A method makes history

It is one of the most highly cited articles in the natural sciences: More than 45 years ago, Klaus Weber and Mary Osborn, retired scientists at the MPI-BPC, published a pioneering paper. In no time the so-called polyacrylamide gel electrophoresis became a standard method to determine the molecular weight of proteins. The article holds position 30 in the list of “The top 100 papers” that was published in Nature. We take a look back.

f you want to make it to the top in sci- former Director at the MPI-BPC, states sure about the result. And even then the ence, you have to publish successfully. today. “I hardly cited it myself. The outcome often was not accurate. Wrong IAnd that means: publish results in re- method established itself as a standard molecular weights were published fre- nowned science journals. However, it is procedure immediately, and standard quently. equally important that other researchers procedures one actually does not need Also Klaus Weber faced such a read your papers and cite them. This was to cite.” Many scientists, however, ap- problem back then. He investigated recently called to mind by Nature with parently had a different opinion on the an enzyme involved in pyrimidine syn- its feature “The top 100 papers”. There- matter. thesis, the aspartate transcarbamylase in, the journal lists those 100 scientific Today, virtually every researcher who (ATCase), and wanted to determine the publications that have been cited most wants to separate proteins according to amino acid sequence of one of its two since the beginning of the 20th century. their size uses SDS-PAGE. The method subunits. A colleague had calculated The article that established the sodium- is as simple as it is reliable, and – even the subunits’ molecular weight. But the dodecylsulfate polyacrylamide gelelec- more important – it is fast: Within a day proteins Klaus Weber found in his own trophoresis, in short SDS-PAGE, as a stan- you have the result. But that was not al- gels appeared to be significantly smaller. dard for the determination of protein size ways the case. Were parts of the proteins missing? Or since publication has gathered 23,642 In the late 1960s, Klaus Weber and was there something wrong with the citations (as of October 7th, 2014) – num- Mary Osborn – then Assistant Profes- predicted molecular weight? Using the ber 30 in the list. It appeared in 1969 sor and postdoctoral fellow – worked in techniques available at the time he could in the Journal of Biological Chemistry, the group of James Watson at Harvard not make any progress – he had come entitled Reliability of molecular weight University (USA). In those days, research to a dead end. For him as a scientist that determinations with dodecyl sulfate- budgets were tight and performance was very frustrating, says Klaus Weber. polyacrylamide gel electrophoresis. The pressure was high. Identifying proteins The solution came in form of an article authors were Klaus Weber and Mary and determining their size still was a la- by scientists from New York Univer- Osborn. “I never expected the paper to borious and rather expensive procedure. sity (USA) in late 1967. Arnold Shapiro, collect that many citations,” Klaus Weber, Many days passed before one could be Eladio Viñuela, and Jakob Maizel for the

Nah dran 11 first time had used the SDS-PAGE not only to separate proteins, reducing milieu it was possible for the first time to complete- but also to determine their molecular weight. However, the ly separate the proteins’ subunits. Each protein subunit only authors had only tested very few proteins and only were able appeared with a single band according to its molecular weight. to give their sizes with some uncertainty. Klaus Weber realized Therefore, the technique was suitable to check the quality of immediately that this method could help him to determine the protein purifications. That was a milestone.” Indeed, within a exact molecular weight of the few years SDS-PAGE became a ATCase subunits. He seized standard method. “It was fantas- the opportunity – in the fol- tic to see how more and more lowing year he published a scientists used the SDS-PAGE,” paper in Nature with not only the cell biologist says enthusi- the amino acid sequence of astically. the smaller subunit, but also Its importance for the mo- the correct molecular weight lecular biosciences becomes of both ATCase subunits that apparent when you look into he had determined using the list of the 100 most cited SDS-PAGE. articles – the paper of the Göttin- Still, Klaus Weber could gen scientist couple is not the not get the many possibilities only one there that contributed of the SDS-PAGE out of his to the development of the SDS- head: “Now we were asking PAGE: There is also an article by ourselves whether the method Harry Towbin and colleagues in might generally be suitable which they described the trans- to determine the molecular fer of proteins from a gel onto a weight of proteins,” he recalls. nitrocellulose membrane. Also a Together with Mary Osborn publication by Ullrich Laemmli he set out to test the reliabil- is a citation classic. In the article ity of SDS-PAGE. They chose published in 1970 he presented 40 proteins whose exact mo- a new TRIS-containing buffer lecular weight they knew, for gel electrophoresis that to- and separated them on SDS day is known to every molecular acrylamide gels. When they biologist as the Laemmli buffer. plotted the proteins’ size on a For Klaus Weber and Mary logarithmic scale against their Osborn, the paper on SDS-PAGE mobility on the gel, the result marked the beginning of a long was an almost perfect linear and successful collaboration: correlation. “The molecular Fig. 4 from the highly cited paper by Klaus Weber and Mary Osborn: Together, they published more weight we determined was so Comparison of the molecular weight of 37 different polypeptide than 200 scientific articles. In much more precise because chains in the molecular weight range from 11,000 to 70,000 with their the mid-1970s they introduced we had the better standards,” electrophoretic mobilities. (Image taken from Weber K, Osborn M, another method, together with the protein chemist Klaus J Biol Chem 244, 4410 (1969), © the American Society for Biochemistry Elias Lazarides, that is used by Weber states with some pride. and Molecular Biology) researchers all over the world The work of Arnold Shapiro today: They had succeeded in had provided the proof of principle. In their today famous making proteins of the cytoskeleton visible in color under paper Klaus Weber and Mary Osborn now showed that the the light microscope using specially tagged antibodies. The method is reliable and broadly applicable. And the SDS-PAGE technique – known as fluorescence microscopy – revolution- has another advantage, as Mary Osborn explains: “In the gel’s ized the visualization of structures within cells and tissues. (fk)

The top 100 papers The numbers Nature used to determine the 100 most highly cited articles in the natural sciences come from the Science Citation Index that records references in science literature since 1964 and covers all publications from the beginning of the 20th century. In order to enter the top 100 list, 12,119 citations were required. With 205,148 references, the best-cited paper is an article by Oliver Lowry, in which he presented a method to quantify protein amounts in solution. The largest number of papers in the list describe methods or software. Note that the so-called “high impact journals” Nature, Science, and Cell with a total of seven papers represent only a small minority in the list. The Nature feature and the complete list are available at www.nature.com/top100

12 Nah dran Im Bereich des Foyers soll ein Walk of Fame zu Ehren der Nobelpreisträger des Instituts entstehen. Unten ein Entwurf für den Stern zu Manfred Eigens Nobelpreis.

Drei Sterne für das Institut

rei Nobelpreise, drei Stern- Eigen (Nobelpreis für Chemie, 1967), eingelassen. Die feinmechanische Werk- stunden: Das MPI-BPC möchte Erwin Neher und Bert Sakmann (Me- statt des Instituts wird die Sterne mit den Dseine größten Erfolge nun dizin oder Physiologie, 1991) sowie Namen, Jahreszahlen und Nobelpreis- auch sichtbar verewigen und plant im Stefan Hell (Chemie, 2014) gewürdigt emblemen gravieren. Noch vor dem Bereich vor dem Foyer einen Walk of werden. Für jeden Nobelpreis wird nach Sommer soll der neue Nobel-Walk of Fame. Damit sollen die Verdienste der dem Vorbild des berühmten Boulevards Fame im Beisein der Nobelpreisträger Nobelpreisträger des Instituts, Manfred in Los Angeles ein Stern in den Boden offiziell eingeweiht werden. (es)

Three stars for the institute

hree Nobel Prizes, three great mo- Manfred Eigen (Nobel Prize in Chemis- Nobel Prize one star will be embedded ments: The MPI-BPC wants to try, 1967), Erwin Neher and Bert Sak- in the ground. The Precision Mechanics Tperpetuate its greatest achieve- mann (Medicine or Physiology, 1991), Workshop will engrave the stars with ments also visibly and plans a Walk of and Stefan Hell (Chemistry, 2014) shall be name, year, and Nobel Prize emblem. The Fame in the area of the foyer. Thus, the honored. Following the example of the official inauguration of the new Nobel credit of the institute’s Nobel Laureates famous boulevard in Los Angeles, for each Walk of Fame is planned before summer.

Neues aus dem Institut 13 Zukunftstag steht vor der Tür

b ins Labor, die Werkstätten und so groß, dass die ersten Anmeldun- damit hinter die Kulissen einer gen bereits vor Weihnachten eingingen AForschungseinrichtung: Das ist und auch schon Vormerkungen für das auch in diesem Jahr wieder das Motto nächste Jahr aufgenommen wurden. des Zukunftstages für Mädchen und Sollten Sie einen Schüler unabhängig Jungen. Der Schnuppertag für Schüler von der Zukunftstagsorganisation der ab der fünften Klassenstufe findet am Presse- und Öffentlichkeitsarbeit am 23. 23. April statt und auch unser Institut April betreuen, bitten wir um eine kur- wird wieder über 40 Kinder zu Gast ze Nachricht, damit wir einen Überblick haben. Insgesamt zehn Abteilungen, For- über die Gesamtzahl der Schüler haben. schungsgruppen und Service-Einrichtun- Auf unserer Webseite finden Sie alle gen haben ein spannendes Programm für Informationen zum Zukunftstag unter den Vormittag vorbereitet. www.mpibpc.mpg.de/zukunftstag. Fra- Alle Plätze sind allerdings schon seit gen können Sie gerne an Elisa Schubert Wochen belegt. Das Interesse war wieder unter Tel. 1308 richten. (es)

Next Future Day takes place soon

his year’s Future Day (Zukunftstag fer more than 40 places to the girls and Ulrich Kuhnt explains how a brain works für Mädchen und Jungen) will take boys. They will spend the whole morn- (picture taken in 2014). Tplace on Thursday, April 23rd. Chil- ing at the institute. dren from 10 years on are going to visit The interest has been huge again and, labs and workshops. Ten departments, unfortunately, all the institute's places research groups, and service facilities of- were assigned several weeks ago. (es)

Info

eit Anfang März 2015 bietet die zur Verfügung. Etherpad ermöglicht die von Microsoft im letzten Jahr nicht mehr GWDG mit dem Produkt Crash Bearbeitung eines Dokuments durch verlängert bzw. gekündigt worden. SPlan PROe einen zusätzlichen verschiedene Nutzer in Echtzeit. Die Leider ist bei Smartphones eine Dienst im Bereich Backup an und Installation befindet sich zurzeit noch umfangreiche Datensicherung noch reagiert damit auf die geänderten im Testbetrieb, soll aber demnächst als immer keine Selbstverständlichkeit, Anforderungen an das Backup von neuer Dienst angeboten werden. weder bei den Smartphone-Herstellern Endgeräten. Nach internen Tests und Aufgrund zunehmender Spam- und noch im Bewusstsein der Anwender. Vergleichen hat sich die GWDG für Phishing-E-Mail-Vorfälle führt die Helium Backup bietet hier eine komfor- dieses Produkt entschieden, da es GWDG erweiterte Senderestriktionen table Möglichkeit, für Smartphones mit zahlreiche Vorteile wie das attraktive für authentifizierte Benutzer des Android OS ein umfangreiches Backup Lizenzmodell, die einfache und intuitive UNIX-Mailers mailer.gwdg.de bzw. von Apps und Daten erstellen können, Installation und Bedienung, hohe Daten- mailer.mpg.de ein. Zudem werden von ohne dass das Smartphone dafür sicherheit sowie Kompatibilität mit extern eingehende Lesebestätigungen gerootet sein muss. allen gängigen Betriebssystemen bietet. für Exchange-Benutzer unterbunden. Der vorerst für drei Jahre abgeschlossene Für die Institute der Max-Planck-Ge- Weitere Informationen finden Sie in Rahmenvertrag ermöglicht allen Kun- sellschaft standen bisher Volumen- den GWDG-Nachrichten 3/2015. Alle den, CrashPlan PROe zu besonders lizenzprogramme der Firma Microsoft Ausgaben der GWDG-Nachrichten fin- günstigen Konditionen zu lizenzieren. zur Verfügung, aus denen die Software den Sie unter www.gwdg.de/gwdg-nr Die GWDG stellt unter http://ether- kostengünstig beschafft und genutzt pad.gwdg.de einen Etherpad-Service werden konnte. Diese Verträge sind Thomas Otto

14 Neues aus dem Institut Zukunftstag steht vor der Tür

Short report on the Biology and Medicine Section meeting of the Max Planck Society

general meeting of the Max New employment rules for postdocs of an undercover animal activist who Planck Society’s (MPS) sections in summer was employed as an animal care taker. Atook place on February 19-20th The situation of doctoral students and He provided photos and other in part in the Harnack-Haus in Berlin. As repre- postdoctoral personnel has long been falsified evidence for alleged offences sentative of the scientists at the MPI- under discussion. This was not only due which he passed on to the press. What BPC, I will briefly report on the relevant to the not so uniform standards (salary, followed were criminal court proceed- points of the BMS meeting. supervision, and career development), ings for employees and a Director of but also in response to very negative the institute concerning animal cruelty. Herbert Jäckle presented the new media reports in the past. Contracts The charges, however, were dropped vocation of Directors for our institute. instead of stipends unify regulations and an independent and neutral com- Next Future Day takes place soon Because of the well-deserved retirement for both students and postdoctoral em- mission certified good conditions in the of Erwin Neher, efforts were made to ployment which will be effective as of institute’s animal house, and no sign for find a new head for an upcoming depart- July 1st, 2015. From here on, only work animal abuse by the staff was found. The ment. In autumn of 2014, the institute contracts – no stipends for postdocs – Secretary General of the MPS suggested and the BMS finalized a candidate and are allowed. There are, however, some that in order to be prepared for possible experts’ opinions were obtained and exceptions allowed whereby a guest future events, a crisis management team presented before the BMS. program may deviate from the above would be established. It was repeatedly Consistent with a positive approval, discussed uniform rules. Such deviations requested by section members that a an offer to the candidate will be made by also may not exceed three years’ dura- professional public relation position is the Max Planck President if the Senate tion. Thus, within a period of three years, necessary which deals quickly and ef- of the MPS approves the election during all doctoral and postdoctoral positions ficiently with such a crisis. Likewise, the its meeting in March. Since in the fore- would become unified. This unifica- effected employees will be supported seeable future we expect new vacancies tion may be realized earlier within an and exonerated in such a situation. due to oncoming retirements, a new institute depending on its financial pos- concept for the scientific orientation in sibilities. The MPS contributes 50 million Presidential Committee deals with our institute was presented. The BMS euros per year which corresponds to our the history of the MPS after 1948 could understand the consequences and 5 per cent annual budget increase from An interesting issue in the report of accepted the concept. the finances of the Federal Ministry of the President was his announcement of Education and Research. Then there is a new panel led by Jürgen Renn which Ombudsman for all BMS institutes the problem of insurance. Most guest deals with the history of the MPS. This elected workers provided with stipends (the panel follows the scheme of the panel A matter of no less importance is the exceptions) are not covered under em- which has examined the history of the staffing of the BMS' ombudsman's office. ployers’ liability insurance. Therefore, Kaiser Wilhelm Society, created by the With regards to a suspicion of scientific our guest workers must be made aware two former Presidents over a period of misconduct, the ombudsman needs to of a private insurance package to which seven years. The President feels com- actively mediate. At our institute this the MPS can only provide 100 euros per pelled to rapidly accommodate the position is delegated to Hans-Dieter month for the health insurance of the negative impressions due to reports Schmitt. In addition, there is one om- scholars. in the media concerning the book budsman for all institutes of the BMS. Volk ohne Mitte by the historian Götz This ombudsman is an institute-inde- Animal experiments Aly which was recently published on pendent contact person and is elected Unfortunately, there were very February 18th, 2015, only one day be- from among the scientific co-workers, negative reports concerning animal ex- fore the BMS meeting. It is expected that the Directors, and the retired members periments in Max Planck Institutes in the this new panel will take the opportunity at the institutes of the BMS. The sec- media during the last year. In the MPI to uncover and report the facts of what tion elected Gregor Eichele, Director for Biological Cybernetics (Tübingen), happened during the first decades of the at the MPI-BPC, for this position, who the situation of employees became un- MPS. accepted. bearable in the light of negative reports Dietmar Riedel

Neues aus der Max-Planck-Gesellschaft 15 IMPRESSUM

Redaktionsleitung Carmen Rotte (cr), Tel. 1304 Redaktion Carmen Rotte, Tel. 1304 Elisa Schubert (es), Tel. 1308 Frederik Köpper (fk), Tel. 1310 Mitarbeit Ulrich Kuhnt Layout Elisa Schubert, Tel. 1308 Sandra Viebrans Titelbild Patrick Cramer, Clemens Plaschka Fotos Irene Böttcher-Gajewski, Tel. 1135 Peter Goldmann, Tel. 1423 Druck PR Druckerei Göttingen

Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie Am Faßberg 11, 37077 Göttingen Tel. +49 551 201-0 Fax +49 551 201-1222 www.mpibpc.mpg.de

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