zum Inhalt springen

Viren-RNA als Marker

Molekularer Knoten ermöglicht Abbauwege in Zellen zu verfolgen

Die Herstellung von Boten-RNA (messenger RNA, kurz: mRNA) ist ein wichtiger Schritt in der Herstellung von Proteinen in einer Zelle. In Form von mRNA werden Informationen von Genabschnitten der DNA an das Ribosom weitergereicht, wo die Eiweiße produziert werden. Doch auch der Abbau von mRNA ist von großer Wichtigkeit bei verschiedenen krankheitsrelevanten Prozessen, wie z.B. Entzündungsreaktionen des Körpers. Aufgrund ihrer Komplexität ist das Untersuchen von mRNA-Abbauwegen jedoch sehr anspruchsvoll. Forschern und Forscherinnen des Instituts für Genetik an der Universität zu Köln unter Leitung von PD Dr. Niels Gehring ist es nun gelungen, eine Methode zu erfinden, durch die der Abbau von mRNA in Zukunft deutlich einfacher untersucht werden kann. Die Forscher und Forscherinnen nutzten eine virale RNA-Sequenz, wie sie beispielsweise auch im Zika-Virus vorkommt, um mRNA zu markieren und ihren Abbau zu verfolgen. Mit Hilfe der neuen Methode konnten in der Studie verschiedene grundlegende und krankheitsrelevante RNA-Abbauwege gezielter erforscht werden. So erprobten die Forscher und Forscherinnen die neue Methode und fanden eine bisher unbekannte Schnittstelle in der mRNA des immunologischen Signalstoffs TNF-alpha. Auch der Abbauweg einer mutierten mRNA, die beim Menschen die Erbkrankheit alpha-Thalassämie verursacht, konnte untersucht werden. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht (Link: http://rdcu.be/nvrC)

Sobald eine Zelle eine mRNA nicht mehr benötigt, wird diese abgebaut. Der Abbau von mRNA in menschlichen Zellen erfolgt hauptsächlich über das Enzym XRN1. Wie ein Schredder zerlegt XRN1 dabei die mRNA unidirektional in ihre Bestandteile. Auf der Suche nach Methoden, um den Abbau durch XRN1 nachzuweisen, stießen die Autoren auf eine einzigartige RNA-Struktur: Einige Viren besitzen in ihrem Genom bestimmte Abschnitte, die den Abbau ihres Genoms durch XRN1 innerhalb der Wirtszelle verhindern. Diese Abschnitte bilden knotenartige Strukturen, die eine molekulare Barriere für XRN1 darstellen. „Durch das Einfügen dieser viralen XRN1-resistenten Strukturen können mRNA-Abbauprodukte in kultivierten menschlichen Zellen sichtbar gemacht werden. Hierdurch sind Einblicke in Richtung, Geschwindigkeit und Art des Abbaus möglich“, beschreibt Dr. Volker Böhm, einer der Erstautoren der Studie. 

Die Autoren der Studie erprobten ihre neue Methode an einer mRNA, die für die Herstellung der immunologischen Signalstoffe TNF-alpha und Interleukin-6 zuständig ist. Beide Stoffe spielen eine wichtige Rolle in der Immunantwort des Körpers bei Krankheiten. Die Herstellung dieser Genprodukte in der Zelle muss genau kontrolliert werden, damit wichtige Komponenten der Zelle in der richtigen Menge und zur richtigen Zeit zur Verfügung stehen: richtige Abwehrmaßnahmen müssen zeitnah eingeleitet werden, nach erfolgreicher Arbeit aber auch wieder abgestellt werden. Die mRNAs der immunologischen Signalstoffe TNF-alpha und Interleukin-6 unterliegen einer solchen strengen Kontrolle über mRNA-Abbau. „Die Analyse des regulierenden Abschnitts der TNF-alpha mRNA durch diese Methode ermöglichte die Identifizierung einer bisher unbekannten internen Schnittstelle, die zum Abbau dieser mRNA beiträgt“, berichtet Jennifer Gerbracht, weitere Erstautorin der Studie. Dies könnte dabei helfen, neue Erkenntnisse über die Stabilität der mRNAs von TNF-alpha und Interleukin-6 zu erhalten, wodurch Entzündungsreaktionen des Organismus besser verstanden werden könnten.

Wie mit einem molekularen Baukasten kann die virale Struktur in beliebige mRNAs eingebaut werden. Dies nutzten die Autoren der Studie, um auch weitere RNA-Abbaumechanismen zu charakterisieren. Kontrolle der Genexpression durch microRNAs (miRNAs) ist ein wichtiger Regulationsmechanismus der Zelle und ein Gegenstand intensiver Forschung in der Molekular- und Zellbiologie. Auch dieser RNA-Abbauweg konnte mithilfe der neuen Methode untersucht werden. 

Seit vielen Jahren beschäftigt sich das Labor von Niels Gehring mit dem Nonsense-vermittelten mRNA-Abbau (Nonsense-mediated mRNA decay, NMD), einem wichtigen Kontrollmechanismus der Zelle. Dabei werden fehlerhafte mRNAs erkannt und abgebaut und somit die Produktion verkürzter und potentiell schädlicher Genprodukte verhindert. Was im Normalfall eine Schutzfunktion der Zelle darstellt, kann beim Auftreten bestimmter Mutationen zu Problemen führen: Bei der genetisch vererbbaren Krankheit â-Thalassämie führt eine Mutation dazu, dass die mRNA eines der Bestandteile des Blutfarbstoffs Hämoglobin abgebaut wird, was zu chronischer Blutarmut führt. Mithilfe der neuen Methode wurden in dieser Studie mRNAs untersucht, die eine â-Thalassämie verursachende Mutation enthalten. Dadurch konnten neue Erkenntnisse über den Ablauf der Erkennung und des Abbaus solcher fehlerhafter mRNAs gewonnen werden. 

„Bisher wurde der Abbau von mRNA nur von wenigen Labors untersucht, vermutlich, weil die vorhandenen Methoden äußerst anspruchsvoll und in ihrer Aussagekraft beschränkt waren. Durch unsere Arbeit wird die Analyse des RNA-Abbaus deutlich vereinfacht, denn sie führt schnell zu quantitativen Ergebnissen.“, sagt PD Dr. Niels Gehring, Seniorautor der Studie. Er fügt hinzu: „Im Moment verwenden wir die Methode bereits erfolgreich in unserem Labor, um weitere Fragestellungen der RNA-Forschung zu bearbeiten. Wir sind uns sicher, dass unsere Arbeit auch anderen biologischen und medizinischen Arbeitsgruppen nützt, um die molekularen Details des mRNA-Abbaus zu erforschen.“

Kontakt:
PD Dr. Niels Gehring
E-Mail: niels.gehring(at)uni-koeln.de
Tel.. 0221/470-3873