Neuer Mechanismus der Genregulation entschlüsselt

13. September 2014, 17:45
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Forscher konnten einen wichtigen Schritt bei der Übersetzung von Erbinformation in Proteine klären

München - Die Anzahl der Gene von Mensch, Maus und Fruchtfliege ist mit etwa 20.000 fast identisch und kann alleine die Unterschiede zwischen den Organismen nicht erklären. Für die Evolution ist also nicht nur die Genzahl, sondern vor allem auch die Regulation der Gene entscheidend. Beim Ablesen der DNA entsteht zunächst mRNA (auch Boten-RNA), die anschließend als Vorlage für die Herstellung von Proteinen dient. Diese Proteine führen schließlich die biologischen Funktionen im Organismus aus.

Die Proteinherstellung wird reguliert, indem regulatorische Proteine an die mRNA binden. Wie diese Proteine die RNA spezifisch erkennen, war aber bislang unklar. Forschern des Münchner Helmholtz-Zentrums und der TU München ist es nun gemeinsam mit internationalen Kollegen gelungen, diesen molekularen Mechanismus zu entschlüsseln. Wie sie im Fachblatt "Nature" schreiben, trägt diese Erkenntnis wesentlich zum Verständnis der unterschiedlichen Genregulation in männlichen und weiblichen Organismen bei.

Protein-Synergie

Um die Raumstruktur eines solchen regulatorischen Protein-RNA-Komplexes zu bestimmen, kombinierten die Forscher Röntgenstrukturanalyse und Kernspinresonanzspektroskopie. So untersuchten sie am Modell der Fruchtfliege die Bildung eines spezifischen Komplexes der zweier regulatorischer Proteine mit Boten-RNA. Dieser Proteinkomplex sorgt dafür, dass die Expression von Genen, die auf dem einzigen männlichen X-Chromosom lokalisiert sind, zweimal größer ist als die der X-Chromosomen in weiblichen Fruchtfliegen. Dadurch wird eine vergleichbare Proteinkonzentration erreicht, die für die Fruchtfliegen lebensnotwendig ist.

Die Raumstruktur des Protein-RNA Komplexes zeigte nun, wie mehrere Proteine zusammenarbeiten, um eine hochspezifische Erkennung der mRNA zu ermöglichen. "Unsere Ergebnisse stellen ein Paradigma für die Regulation vieler essentieller zellulärer Prozesse auf der Ebene der Boten-RNA dar", erklärt Michael Sattler, Leiter des Instituts für Strukturbiologie am Helmholtz-Zentrum München.

Essentieller Mechanismus

Die spezifische Erkennung der Boten-RNA wird durch die Kooperation mehrerer RNA-bindender Proteine ermöglicht, obwohl jedes der beteiligten Proteine für sich alleine weniger spezifisch mit RNA wechselwirkt und an der Regulation anderer Zellprozesse beteiligt ist. Durch die Kombination mehrerer Proteine kann so eine Vielzahl von biologischen Prozessen auf der Ebene der mRNA mit einer relativ kleinen Zahl von regulatorischen RNA-bindenden Proteinen reguliert werden.

Die Autoren gehen davon aus, dass dieses Prinzip einen essentiellen und weitverbreiteten Mechanismus der Genregulation in allen höheren Organismen darstellt. Mutationen bzw. Missregulation der beteiligten Proteine können dementsprechend die Entstehung von Krankheiten zur Folge haben. (red, derStandard.at, 13.9.2014)

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