Es ist "Pacman", der die Gene abschaltet

2. Juli 2005, 09:00
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Am Wiener Institut für Molekulare Biotechnologie wird die RNA-Interferenz erforscht

Lange Zeit stand die Ribonukleinsäure (RNA) im Schatten ihrer großen Schwester, des menschlichen Erbgutmoleküls Desoxyribonukleinsäure (DNA). RNA war bekannt als jene Moleküle, die im Zellkern lediglich Botenarbeit verrichten, indem sie als Boten-RNA die Bauanleitung für die in der DNA kodierten Proteine ablesen und in die Ribosomen, die "Proteinfabriken" der Zelle, transportieren. Zwar wusste man, dass RNA vielseitig begabt ist - so kann sie zum Beispiel bei bestimmten Viren statt DNA als Erbgut fungieren - aber dennoch blieb das wahre Talent des jetzigen Shootingstars der modernen Genforschung unterschätzt.

Die steile Karriere der RNA begann erst 1998 mit der Entdeckung der RNA-Interferenz (RNAi) durch die beiden US-Amerikaner Andrew Fire und Craig Mello aus Boston und kam so richtig ins Rollen, als der deutsche Forscher Thomas Tuschl 2001 erstmals die so genannten small interfering RNAs (siRNA) isolieren konnte. Damals, Anfang 2001, stieß auch der heute 40-jährige Argentinier Javier Martínez zu Tuschls Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen und steuerte zu den bahnbrechenden Forschungsergebnissen insbesondere ein Verfahren zur Isolierung von "RISC", eines an der RNA-Interferenz maßgeblich beteiligten Proteinkomplexes, bei. Heute widmet sich Martínez mit seinem Team, gefördert vom österreichischen Wissenschaftsministerium, am Wiener Institut für Molekulare Biotechnologie (IMBA) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften der Erforschung der mechanistischen Aspekte der RNA-Interferenz bei Säugetierzellen.

Prinzip der RNAi

Das Prinzip der RNA-Interferenz (RNAi) beruht auf der Zerlegung und Auflösung von Boten-RNA. Diese auch messenger-RNA (mRNA) genannten Boten haben die Aufgabe, die in der DNA kodierte Bauanleitung für Proteine abzulesen und in die Ribosomen, die "Eiweißfabriken" der Zellen, zu transportieren. Durch geschickte Steuerung der RNA-Interferenz kann die Produktion einzelner Proteine selektiv unterbunden werden: Durch RNAi kann man bestimmte Gene einfach abschalten. Und zwar so präzise, dass die benachbarten Gene nicht in Mitleidenschaft gezogen werden.

Das hat den Vorteil, dass die Auswirkungen auf den Organismus eindeutig dem nunmehr inaktiven Gen zugeordnet werden können. Aufgrund dieser Präzision hat die RNAi nicht nur die Grundlagenforschung revolutioniert, sondern sich auch in der pharmazeutischen Forschung schon bald als wertvolles Hilfsmittel etabliert, mit dem man neue Zielmoleküle für medizinische Wirkstoffe Zeit sparend und kostengünstig identifizieren kann. Außerdem gibt es berechtigte Hoffnungen, dass man eines Tages Autoimmunerkrankungen oder Krebs bekämpfen könnte, indem man das verursachende Gen kurzerhand blockiert.

Erkenntnisstand

Das Wissen um die Vorgänge bei der RNA-Interferenz hat sich in den vergangenen Jahren sehr dynamisch entwickelt. Nach heutigem Erkenntnisstand sind an dem Mechanismus verschiedene zelleigene Enzyme beteiligt, von denen aber noch nicht alle identifiziert werden konnten. Als gesichert gilt inzwischen, dass zu Beginn des Prozesses ein Enzym namens "Dicer" in der Zelle befindliche doppelsträngige RNA (dsRNA) in kurze Moleküle zerschneidet. Diese so genannten small interfering RNAs (siRNA) haben eine Länge von nur 21 Nukleotiden. Wenn sich daraufhin gewisse Proteine an die siRNA anlagern, entsteht der so genannte RNA Induced Silencing Complex (RISC), der die noch immer doppelsträngige Nukleotidsequenz zunächst in zwei einzelne RNA-Stränge entwindet. Danach beginnt das eigentliche Abschalten der Gene.

"Pacman"

RISC verhält sich wie "Pacman", der im gleichnamigen Computerspiel nur einen Auftrag kennt - "search and destroy": RISC sucht schnell und zuverlässig die Nukleotidsequenz der Boten-RNA, die spiegelbildlich einem der beiden siRNA-Stränge entspricht, und koppelt an diese an. Daraufhin erwacht in RISC das Enzym "Argonaute", das wichtigste Protein in RISC, und schneidet die Boten-RNA auseinander. Ist diese erst einmal geschnitten, wird sie von RISC ausgestoßen und in weiterer Folge in der Zelle abgebaut. Dadurch geht die in der Boten-RNA kodierte Information verloren, bevor sie in die Ribosomen transportiert werden konnte - als ob ein Brief zerrissen und weggeworfen würde, bevor er seinen Empfänger erreicht. Durch RISC geht also die Bauanleitung für Proteine auf dem Weg vom Gen zu den Proteinfabriken der Zelle verloren, das entsprechende Gen kann nicht in Proteine umgesetzt werden, die eigentliche Funktion des Gens ist blockiert. RISC hingegen kann nach getaner Arbeit weitere Boten-RNA-Moleküle suchen und zerstören.

Forschungsziel

Das Ziel der Forschungen von Javier Martínez und seinem Team ist es herauszufinden, welche Proteine an RISC beteiligt sind und wo genau sie an der siRNA anbinden. Man kann sich das experimentelle Verfahren dazu ungefähr so vorstellen: Martínez und sein Team bringen in Extrakten von Säugetierzellen synthetisch hergestellte siRNA ein, die unter UV-Bestrahlung eine irreversible Bindung mit den an RISC beteiligten Proteinen eingehen. Durch den Einsatz spezieller Antikörper können die Proteine nach und nach lokalisiert und identifiziert werden. Die Proteine Dicer und Argonaute konnten so spezifischen Regionen der siRNA zugeordnet werden. Ein bisher noch unbekanntes Protein, das an den Enden der siRNA bindet, wurde unlängst von Martínez entdeckt und wird derzeit näher untersucht.

Momentan konzentrieren Martínez und sein Team ihre Untersuchungen auch auf die "siRNA-Kinase", also ein Enzym, das eine Phosphatgruppe auf die siRNAs überträgt, sowie auf ein noch gänzlich unbekanntes Enzym, von dem man aber mittlerweile zumindest weiß, dass es die Entwindung der doppelsträngigen siRNA unmittelbar vor deren Einbau in RISC einleitet. (red, DER STANDARD, Print, Album, 2./3.7.2005)

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