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Genetik: Zensur in der Zelle

Zu ih­rer Über­ra­schung ent­deck­ten Bi­o­lo­gen, dass Tier- und Pflan­zen­zel­len un­er­wünsch­te Ge­ne zum Schwei­gen brin­gen kön­nen, in­dem sie de­ren RNA-Kopien zer­schnip­seln. Bio­tech­no­lo­gie­fir­men sind schon da­bei, die­sen viel­sei­ti­gen Re­gu­la­ti­ons­me­cha­nis­mus für me­di­zi­ni­sche Zwe­cke zu nut­zen.


Unter dem Mikroskop macht eine lebende Zelle einen ausgesprochen ruhigen, ja fried-lichen Eindruck. Doch in ihrem Inneren herrscht hektisches bio-chemisches Treiben. Das Erbgut jeder tierischen und pflanzlichen Zelle enthält Tausende von Genen. Sich selbst überlassen, würde die Transkriptionsmaschinerie ihnen allen gleichzeitig Geltung verschaffen. Dazu entwindet sie die wendeltreppenartige DNA-Doppelhelix, trennt sie in die beiden Einzelstränge auf und fertigt von jedem Gen eine Abschrift in Form einer Boten-RNA an (Transkription). Diese Blaupause – im Wesentlichen eine Anleitung zum Aneinanderhängen von Aminosäuren in einer bestimmten Reihenfolge – wird dann an den Ribosomen in das entsprechende Protein übersetzt (Translation).

Wenn das mit allen Genen gleichzeitig geschähe, bräche das Chaos aus. Deshalb betätigt sich die Zelle als Zensor: Sie verpasst den meisten Genen einen Maulkorb und sorgt dafür, dass nur die jeweils benötigten abgelesen werden. Zu diesem Zweck enthält die DNA Abschnitte mit Regulatorfunktion. Von einem Gen werden nur dann RNA-Abschriften gemacht, wenn sich an eine solche regulatorische DNA-Region in seiner Nähe ein aktivierender Proteinkomplex angelagert hat.

Gefährliche Gene

Doch dieser Schutzmechanismus allein genügt der Zelle noch nicht. Manche untergeschobenen Gene – sei es, dass sie sich schon vor langer Zeit ins Erbgut eingeschlichen haben oder gerade erst von Eindringlingen frisch eingeschleppt wurden – enthalten nämlich die Bauanleitung für so gefährliche Proteine, dass sie nie und nimmer die Möglichkeit erhalten dürfen, aktiv zu werden. Das gilt etwa für mobile genetische Elemente, die im Genom von Ort zu Ort springen, wenn die Zelle sie exprimiert (das darin codierte Protein herstellt). Krebs oder andere Krankheiten können die Folge sein. Ebenso gefährlich sind Viren. Wenn ihre genetische Botschaft nicht abgefangen wird, bemächtigen sie sich der Proteinsynthesemaschinerie der Zelle und zwingen sie, virale Proteine herzustellen – mit schädlichen bis verheerenden Wirkungen für den Organismus.

Doch die Zellen wissen sich zu wehren. So wurde schon vor längerer Zeit das Interferon-System entdeckt. Es tritt in Aktion, wenn virale Gene in eine Säugetier-Zelle gelangen. Mit brachialer Gewalt unterbindet es dann jegliche Genexpression, als würden in einer Druckerei die Rotationsmaschinen angehalten. In den letzten Jahren entdeckten Forscher jedoch einen wesentlich präziseren Sicherheitsmechanismus, der zudem erheblich mehr Anwendungsmöglichkeiten für Forschung und Medizin bietet. Dieses als RNA-Interferenz (RNAi) bezeichnete System findet sich bei praktisch allen tierischen und pflanzlichen Zellen. Es bringt gefährliche Gene zum Schweigen – Wissenschaftler sprechen deshalb von "Silencing" –, indem es gezielt nur ihre Boten-RNA abfängt und zerstört.

Mit wachsender Einsicht in die Funktionsweise und den Auslösemechanismus dieses zellulären Stummschalters stieg die Begeisterung der Biologen. Erkannten sie doch, dass er die Möglichkeit bot, auf sehr einfache Art die Expression von Genen zu unterbinden, die an der Entstehung von Krebs, Virus-Infektionen oder anderen Krankheiten beteiligt sind. Damit zeichnete sich eine ganz neue Art von hochwirksamen Medikamenten ab.

Tatsächlich ist es Wissenschaftlern, die mit Pflanzen, Würmern, Fliegen und anderen Modellorganismen arbeiten, inzwischen gelungen, mittels RNA-Interferenz die Expression praktisch jedes beliebigen Gens zu unterdrücken und so Informationen über seine Funktion zu gewinnen. Als Instrument der Forschung ist die RNAi also ein durchschlagender Erfolg. Hunderte von Labors können damit heute Probleme angehen, vor denen sie noch vor wenigen Jahren kapitulieren mussten. Während die meisten Forschungsgruppen die RNA-Interferenz in dieser Weise als bloßes Hilfsmittel nutzen, suchen andere die Feinheiten ihrer Funktionsweise zu ergründen. Wieder andere (darunter auch wir) gehen der Frage nach, welche Rolle die RNA-Interferenz im Zuge der normalen Entwicklung von Pflanzen, Pilzen, Tieren und Menschen spielt.

Erste Hinweise auf dieses Phänomen tauchten vor 13 Jahren auf. Richard A. Jorgensen, inzwischen an der Universität von Arizona in Tucson, hatte in das Erbgut von violett blühenden Petunien weitere Exemplare des Gens für die Synthese des natürlichen Blütenfarbstoffs Anthocyan eingebaut. Er erhoffte sich davon eine noch intensivere Färbung. Doch das Gegenteil war der Fall: Die Blüten erschienen blasser und waren stellenweise völlig ausgebleicht. Über ähnliche Beobachtungen berichtete Joseph Mol von der Freien Universität Amsterdam.

Beide schlossen aus diesem verblüffenden Befund, dass die zusätzlichen Genkopien auf noch unbekannte Weise die Suppression sämtlicher Farbstoffsynthese-Gene veranlassten, auch der natürlich vorhandenen. So entstanden die blassen, weißgefleckten oder sogar völlig farblosen Blüten. Eine derartige gemeinsame Unterdrückung – Co-Suppression – eines eingefügten Gens und seines natürlichen Gegenstücks beschrieben in der Folge James A. Birchler von der Universität von Missouri in Columbia und Giuseppe Macino von der Universität Rom auch bei Taufliegen und Pilzen.

Erste Hinweise, wie dieser neuartige Effekt zu Stande kam, fand einige Jahre später die Arbeitsgruppe von William G. Dougherty an der Staatsuniversität von Oregon in Corvallis. Sie arbeitete mit Tabakpflanzen, in deren Erbgut mehrere Exemplare des Gens für das Hüllprotein CP des Tabakätz-Virus eingefügt worden waren. Brachte man sie mit dem Virus in Kontakt, erwiesen sich einige als immun dagegen. Dougherty schrieb dies einer Co-Suppression zu. Die Pflanzen unterdrückten anscheinend die Aktivität der eingeführten fremden CP-Gene. Folglich blockierten sie deren Expression auch in eindringenden Viren, sodass sich die Invasoren nicht in ihnen vermehren konnten. Wie Doughertys Arbeitsgruppe weiterhin zeigte, setzte die Immunität nicht voraus, dass die Pflanzen das Hüllprotein wirklich produzierten. Demnach musste irgendein Vorgang auf der Ebene der Boten-RNA die Resistenz gegen das Virus verursachen.

Unerklärliches Schweigen

Außerdem stellten Dougherty und seine Mitarbeiter fest, dass nicht nur Pflanzen bestimmte Gene von Viren blockieren können, sondern auch umgekehrt Viren einzelne Gene von Pflanzen. In manchen Fällen unterdrückte die Tabakpflanze die eingeführten CP-Gene nämlich zunächst nicht. Folglich wurde sie von dem Virus befallen, das sich munter in ihren Zellen vermehrte. Als die Forscher jedoch später die Menge der CP-Boten-RNA maßen, fanden sie fast nichts: Offenbar hatte die Infektion also schließlich doch noch eine Inaktivierung der CP-Gene bewirkt.

Etwa zur selben Zeit lieferten Versuche anderer Biologen, mit "Antisense"-RNA gezielt Gene in dem kleinen, durchsichtigen Fadenwurm (Nematoden) Caenorhabditis elegans auszuschalten, verwirrende Resultate. Antisense-RNA ist so konstruiert, dass sie sich mit einer bestimmten Boten-RNA (dem zugehörigen "Sense"-Molekül) zu einem Doppelstrang zusammenlagert – genau wie zwei komplementäre DNA-Fäden eine Doppelhelix bilden. Alle Nucleinsäuren bestehen aus aneinander gereihten Bausteinen, die mit den Buchstaben A, C, G und U (im Fall der RNA) oder T (bei DNA) bezeichnet werden. C paart sich bei der Doppelstrangbildung immer mit G, A hingegen mit U beziehungsweise T. Entsprechend bindet sich die einzelsträngige Antisense-RNA an Boten-RNA mit passender, komplementärer Sequenz. Dabei entsteht eine partiell doppelsträngige Struktur, die nicht in ein korrektes Protein übersetzt werden kann.

Über die Jahre waren Experimente mit Antisense-RNAs in verschiedenen Organismen nur hier und da erfolgreich gewesen. Bei den Fadenwürmern jedoch schien die Methode zuverlässig zu funktionieren. Aber dann gab es einen verblüffenden Befund: Auch Sense-RNA war fähig, die Genexpression zu unterbinden, obwohl sie die gleiche Sequenz wie die Boten-RNA des Zielgens hatte und diese daher nicht durch Paarung abfangen konnte.

Damit war der Boden bereitet für das entscheidende Experiment, das die Wissenschaftler um Andrew Z. Fire von der Carnegie Institution in Washington und Craig C. Mello von der Universität von Massachusetts in Worcester vor fünf Jahren durchführten. Fire und Mello vermuteten, dass die bei den früheren Versuchen verwendeten Antisense- und Sense-RNAs nicht ganz sauber waren. Ihrer Ansicht nach enthielten beide Präparationen Spuren von doppelsträngiger RNA. Diese hätte dann die Inaktivierung ausgelöst.

Um ihre Vermutung zu testen, injizierten die Forscher den Fadenwürmern entweder einzelsträngige oder doppelsträngige RNA-Abschriften – jeweils in absolut reiner Form – von einem Gen namens unc-22, das für die Muskelfunktion eine wichtige Rolle spielt. Selbst größere Mengen einzelsträngiger Botenmoleküle, ob in der Sense- oder Antisense-Form, hatten kaum Einfluss auf das Verhalten der Würmer. Doch nach Injektion nur weniger Exemplare der doppelsträngigen Variante begannen die Tiere und sogar ihre Nachkommen unkoordiniert zu zucken – ein unmissverständliches Zeichen, dass die Funktion von unc-22 gestört war. Dieselbe erstaunlich effektive Blockade beobachteten Fire und Mello bei jedem Gen, dem sie auf diese Weise zu Leibe rückten – unter anderem auch bei solchen, die mit der Fortpflanzung und Vitalität der Würmer zu tun hatten. Sie nannten das Phänomen RNA-Interferenz.

In der Folge konnten Wissenschaftler den Abschalt-Effekt bei Pflanzen und Pilzen auf dieselbe Ursache zurückführen. Zugleich fanden sie heraus, dass RNA-Stränge, die sich zurückbiegen und dann mit sich selbst zu einem längeren Doppelstrang verbinden können, ebenfalls in der Lage sind, das zugehörige Gen zu unterdrücken. Andere Untersuchungen wiederum ergaben, dass Co-Suppression nur auftritt, wenn die Zelle über ein Gen verfügt, das sie befähigt, einzelsträngige in doppelsträngige RNA umzuwandeln.

Demnach erkannten die Petunien von Jorgensen und Mol über einen noch unbekannten Mechanismus die zusätzlichen Farbstoffsynthese-Gene als verdächtig und überführten deshalb die zugehörige Boten-RNA in die doppelsträngige Form. Diese brachte dann sowohl die eingeschleusten als auch die natürlich vorhandenen Gene zum Verstummen. Das Konzept der RNA-Interferenz erklärte auch, warum die Virus-Infektion die CP-Gene in Doughertys Pflanzen abschaltete. Das Tabakätz-Virus erzeugte bei seiner Vermehrung doppelsträngige RNA von seinem gesamten Genom, wie das viele Viren tun. Als Reaktion darauf fing die Pflanze die Boten-RNAs aller viralen Gene ab und damit auch diejenigen der eingeschleusten CP-Gene.

Doppelsträngige RNA – gestückelt und zerschnipselt

Die Biologen konnten kaum fassen, dass sie ein derart effizientes und praktisch allgegenwärtiges System der Genregulation so lange übersehen hatten. Nun, da es entdeckt war, stürzten sie sich aber mit Feuereifer darauf und bemühten sich, nicht nur seinen Funktionsmechanismus aufzuklären, sondern auch sinnvolle Einsatzmöglichkeiten dafür zu finden.

Bald wurde die RNA-Interferenz auch in Algen, Plattwürmern und Taufliegen beobachtet. Insgesamt war sie damit in vielen stammesgeschichtlich weit voneinander entfernten Organismen dokumentiert. Dagegen stellte es sich als schwierig heraus, sie bei Säugetieren einschließlich Mensch nachzuweisen – Voraussetzung für ihre Anwendung in der Medizin.

Wird eine menschliche Zelle von einem Virus infiziert, das bei der Replikation lange doppelsträngige RNAs synthetisiert, so zieht sie in der Regel die Notbremse und organisiert eine Totalblockade: In einer konzertierten Aktion unterbindet ein Enzym namens Proteinkinase R die Translation sämtlicher Boten-RNAs, normaler wie viraler, während das Enzym RNAse L sie reihum zerstört. Diese Maßnahmen gelten als Teil der so genannten Interferon-Antwort, weil sie in Gegenwart dieses Botenstoffs, den Zellen als Warnsignal für ihre Nachbarn ausscheiden, schneller ergriffen werden.

Immer wenn Wissenschaftler also künstliche doppelsträngige RNAs, wie sie zur Untersuchung der RNAi bei Würmern und Fliegen verwendet wurden, in die Zellen erwachsener Säugetiere einbrachten, ließ diese Abwehrreaktion unterschiedslos jedes Gen verstummen. Es wollte einfach nicht gelingen, den störenden Interferon-Alarm zu vermeiden.

Der entscheidende Trick wurde erst entdeckt, nachdem der Funktionsmechanismus der RNA-Interferenz genauer ergründet war. Außer den schon erwähnten Pionieren auf dem Gebiet leisteten Thomas Tuschl von der Rockefeller-Universität in New York (damals noch am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen), Philipp D. Zamore von der Universität von Massachusetts und Gregory Hannon vom Laboratorium Cold Spring Harbor (US-Bundesstaat New York) dabei wesentliche Beiträge.

Wie ihre Untersuchungen ergaben, verfügen Zellen über ein Enzym namens Häcksler (Dicer), das doppelsträngige RNA normaler Länge in Fragmente zerschneidet: so genannte kleine interferierende RNAs (siRNAs). Diese sind einheitlich etwa 22 Nucleotidbausteine lang.

Dicer durchtrennt die beiden Stränge der langen RNA an etwas versetzten Stellen, sodass an den Enden jeweils zwei Nucleotide überstehen. Jede siRNA wird dann in die beiden Einzelstränge zerlegt und einer davon in einen Verbund aus mehreren Proteinen eingefügt: den RNA-induzierten Silencing Complex (RISC).

Dort ist das siRNA-Molekül so angeordnet, dass es in Kontakt mit Boten-RNAs im Cytoplasma der Zelle treten kann. Unter den tausenden verschiedenen Varianten, denen es dabei begegnet, fischt es jedoch ausschließlich solche heraus, die eine Sequenz enthalten, welche exakt oder weitgehend komplementär zu seiner eigenen ist. Anders als das Interferon-System arbeitet der Silencing-Komplex also hochselektiv und schnappt sich nur ganz bestimmte Boten-RNAs.

Sobald er ein passendes Exemplar gepackt hat, schneidet er es mit Hilfe eines Enzyms namens Hobel (Slicer) in der Mitte durch. Die beiden Hälften, die nicht mehr zur Proteinsynthese taugen, lässt er wieder los. Danach macht er Jagd auf weitere Opfer. Das RNAi-System nutzt also einzelsträngige Bruchstücke der doppelsträngigen RNAs, um eine schwarze Liste von Boten-RNAs zu erstellen, die erkannt und vernichtet werden sollen.

Ein Traum wird wahr

David C. Baulcombe und seine Mitarbeiter am Sainsbury-Laboratorium in Norwich (England) konnten als Erste siRNAs in Pflanzen nachweisen. Das Team von Tuschl isolierte sie später auch aus Taufliegen-Embryonen. Zugleich bewies es deren Rolle beim Abschalten von Genen, indem es künstliche siRNAs herstellte und sie zur gezielten Zerstörung zellulärer Boten-RNAs einsetzte.

Als das bei den Fliegen problemlos gelang, fragte sich Tuschl, ob diese kurzen RNA-Schnipsel vielleicht durch die Maschen des Interferon-Systems schlüpfen könnten, das Doppelstrang-RNAs aus weniger als dreißig Basenpaaren normalerweise ignoriert. Also brachten er und seine Mitarbeiter synthetische siRNAs in Säugerzellen ein. Der Versuch war ein voller Erfolg: Die Expression der Zielgene wurde unterdrückt, und die Interferon-Antwort blieb aus (Spektrum der Wissenschaft 10/2001, S. 15).

Dieses Ergebnis schlug in der biomedizinischen Fachwelt ein wie eine Bombe. Zwar war es schon seit längerem keine Kunst mehr, Fremdgene in Säugetiere einzuschleusen – beispielsweise mit Viren als Vehikeln. Doch wollte man ein Gen ausschalten, um seine Funktion aufzuklären, erforderte das monatelange mühselige Arbeit. Auf einmal war der Traum, beliebige Gene in Säugerzellen rasch und gezielt zu unterdrücken, Wirklichkeit geworden. Mit siRNAs gelingt das innerhalb weniger Stunden – auch in menschlichen Zellen. Und der Effekt hält mehrere Tage an – lange genug für die meisten Experimente.

So nützlich die RNA-Interferenz für genetische Untersuchungen an Säugerzellen geworden ist, hat sie sich bei der Arbeit mit weniger hoch entwickelten Lebewesen allerdings als noch wertvoller erwiesen. Bei Fadenwürmern und Pflanzen breitet sich der Silencing-Effekt nämlich von der Stelle, an der die doppelsträngige RNA eingebracht wurde, bis in die entlegensten Winkel des Organismus aus. Auf Grund dieser systemischen Wirkung braucht man Nematoden nur mit genetisch veränderten Bakterien zu füttern, die doppelsträngige RNA des Ziel-Gens erzeugen, um dieses abzuschalten.

Alles in allem kommt die RNA-Interferenz genau zur rechten Zeit. Nun, da das Erbgut vieler Organismen – einschließlich des Menschen – komplett entziffert wurde, stehen die Biologen vor der nicht weniger anspruchsvollen Aufgabe, auch die Funktion der zahllosen neu entdeckten Gene zu bestimmen. Da die RNA-Interferenz so wirkungsvoll und so leicht auszulösen ist, bietet sie sich als ideales Mittel dazu an. Mit ihr kann man in kürzester Zeit ohne großen Aufwand systematisch ein Gen nach dem anderen ausschalten und nachsehen, welche Prozesse dadurch jeweils beeinträchtigt werden.

Genau das haben vor kurzem vier Arbeitsgruppen in Tausenden paralleler Experimente bei C. elegans gemacht. Analoges geschieht derzeit bei Pflanzen wie der Ackerschmalwand, und mehrere kooperierende Teams planen große RNAi-Projekte bei Säugerzellen.

Enthusiasmus in der Pharmabranche

Auch die pharmazeutische Industrie hat die RNA-Interferenz begierig aufgegriffen. In der Medikamentenentwicklung wird das Stummschalten etwa dazu verwendet, ein ganzes Sortiment von Genen auf einmal nach aussichtsreichen Ansatzpunkten für neuartige Behandlungsmethoden zu durchmustern. So könnte es durch systematisches RNAi-Silencing etwa gelingen, ein Gen aufzuspüren, das in bestimmten Krebszellen unbedingt aktiv sein muss, in normalen Zellen dagegen nicht. Damit bestünde die Möglichkeit, einen Wirkstoff zu entwickeln, der die Funktion des entsprechenden Proteins hemmt, um ihn dann auf seine Eignung als Krebsmedikament zu testen. Einige neu gegründete Biotechnologiefirmen bauen sogar darauf, dass die RNA-Interferenz selbst bereits dazu dienen kann, Krebs, Virus-Infektionen, bestimmte dominant vererbte Störungen und andere Krankheiten zu behandeln, die von krank machenden Genen herrühren.

Zahlreiche Publikationen aus jüngster Zeit unterstreichen das therapeutische Potenzial dieser Methode. Mindestens sechs Teams, darunter das von Philip A. Sharp am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, konnten durch RNA-Interferenz die Ausbreitung von Viren – unter anderem die Erreger von Aids, Kinderlähmung und Hepatitis C – in Kulturen menschlicher Zellen zumindest zeitweise unterbinden. Das gelang, indem die Forscher mit künstlichen siRNAs die Produktion viraler Proteine hemmten, die für die Vermehrung der Krankheitserreger unentbehrlich sind.

Ähnliche Erfolge bei lebenden Säugetieren meldeten die Gruppen um Judy Lieberman von der Harvard-Universität in Boston und Mark Kay von der Universität Stanford (Kalifornien). Sie konnten zeigen, dass unter sehr hohem Druck injizierte siRNAs eine Hepatitis-Infektion bei Mäusen milder verlaufen lassen. Dadurch überlebten viele Tiere, die sonst an der Leberentzündung gestorben wären.

Trotz dieser ermutigenden Ergebnisse wird es aber noch einige Jahre dauern, bis Behandlungen auf RNAi-Basis beim Menschen spruchreif sind. Der schwierigste Aspekt dürfte die Frage sein, wie sich die siRNAs am besten und präzisesten an ihren Wirkort bringen lassen. Während sich ihr hemmender Effekt auf das betreffende Gen bei Fadenwürmern und Pflanzen über den gesamten Organismus ausbreitet, scheint das bei Menschen und anderen Säugern nicht zu passieren. Außerdem sind siRNAs im Vergleich zu üblichen pharmazeutischen Wirkstoffen sehr groß. Folglich können sie nicht als Tab-letten eingenommen werden, da sie im Magen-Darmtrakt verdaut statt resorbiert werden. Derzeit erproben Forscher diverse Methoden, siRNAs an mehrere Organe gleichzeitig zu verabreichen und sie durch die Außenmembran von Zellen zu lotsen. Aber noch ist unklar, ob eine davon funktioniert.

Einen anderen Ansatz zur Lösung dieses Problems bietet die Gentherapie. Man könnte ein künstliches Gen mit der Bauanleitung für eine bestimmte siRNA in ein ungefährliches Virus einsetzen, das es dann in die infizierten Zellen einschleppt. Die Gruppe um Beverly Davidson an der Universität von Iowa in Iowa City benutzt zum Beispiel ein modifiziertes Adenovirus, um Gene, die siRNAs produzieren, in Gehirn und Leber von Mäusen einzuschleusen. Jede Art von Gentherapie am Menschen wirft jedoch technische und ethische Probleme auf.

Trotz der Schwierigkeiten mit der Verabreichung herrscht, was die therapeutischen Möglichkeiten der siRNAs betrifft, ein Enthusiasmus, der bei Antisense- und katalytischen RNAs, die einst auch als Wundermittel zum Abfangen schädlicher Boten-RNAs galten, mittlerweile verflogen ist. Die hohen Erwartungen beruhen zum Teil darauf, dass die RNA-Interferenz der natürliche zelleigene Mechanismus zum Stummschalten von Genen ist und als solcher in Jahrmillionen evolutionärer Erprobung perfektioniert wurde.

Tatsächlich dürfte das RNAi-System sogar schon vor rund einer Milliarde Jahren entstanden sein. Damals entwickelte es sich wohl in einem gemeinsamen Vorläufer von Pflanzen, Tieren und Pilzen als Schutz gegen Viren und mobile genetische Elemente. Und diese Aufgabe erfüllt es offenbar immer noch. So haben die Gruppen von Ronald H. A. Plasterk am Niederländischen Krebs-Institut in Amsterdam und Hervé Vaucheret am Französischen Nationalinstitut für Landwirtschaftliche Forschung in Paris nachgewiesen, dass heutige Würmer mittels RNA-Interferenz mobile genetische Elemente in Schach halten und dass Pflanzen sie zur Abwehr von Viren einsetzen.

Doch scheint der Mechanismus auch bei vielen anderen biologischen Prozessen eine Rolle zu spielen. So zeigen mutierte Pflanzen und Tiere, die sehr wenig Dicer-Enzym oder nur eine defekte Form davon produzieren, vielfältige Entwicklungsstörungen und können sich nicht fortpflanzen. Was ist der Grund dafür?

Einer Hypothese zufolge borgte sich die Natur, nachdem sie ein so schlagkräftiges System zur Inaktivierung gefährlicher Gene aus Viren und mobilen genetischen Elementen entwickelt hatte, Instrumente aus der RNAi-Werkzeugkiste zunehmend auch für andere Zwecke aus. Jede Zelle eines Organismus besitzt die gleichen Gene. Was sie von Zellen in anderen Geweben unterscheidet, ist, welche davon sie exprimiert und welche nicht.

Die meisten Pflanzen und Tiere entwickeln sich aus einer einzelnen embryonalen Zelle, die sich wiederholt teilt und dabei schließlich viele unterschiedliche Zelltypen hervorbringt. Damit dies geschieht, müssen zahlreiche Gene, die im Embryo aktiv sind, im reifenden Organ abgeschaltet und dafür andere, die anfangs stumm waren, aktiviert werden. Außer bei der Abwehr gegen Fremdgene macht sich die RNAi-Maschinerie offenbar auch hier nützlich und hilft, bestimmten zelleigenen Genen einen Maulkorb zu verpassen, damit der Übergang in so unterschiedliche Zelltypen wie Nerven- und Muskelzellen oder in spezialisierte Organe wie Herz und Gehirn gelingt.

Doch was veranlasst das RNAi-System, plötzlich auch normalen Boten-RNAs den Mund zu verbieten? In manchen Fällen scheint die Zelle speziell für diesen Zweck lange doppelsträngige RNAs zu bilden. Häufiger jedoch dienen microRNAs als Auslöser: kleine Moleküle, die den siRNAs ähneln, aber anders entstehen. Während siRNAs denselben Genen oder Genregionen entstammen, deren Aktivität sie unterdrücken, werden microRNAs von Genen codiert, deren einziger Zweck eben die Produktion dieser kurzen regulatorischen Moleküle ist.

Die einzelsträngige RNA, die bei der Transkription, also der Abschrift solcher Gene zunächst entsteht, biegt sich in einer Schleife zurück und paart sich mit sich selbst. Das resultierende Gebilde hat gewisse Ähnlichkeit mit einer Haarnadel. Deren Mittelstück schneidet das Häcksler-Enzym dann heraus und erzeugt so ein Fragment, das sich wie eine siRNA verhält – mit dem entscheidenden Unterschied, dass es nicht das Gen zensiert, von dem es abstammt, sondern ein völlig anderes.

Wie bei der Entdeckung der RNA-Interferenz dauerte es auch bei den microRNAs einige Zeit, bis ihre Bedeutung für die Genregulation in vollem Umfang erkannt wurde. So waren lange nur zwei Vertreter namens lin-4- und let-7-RNA bekannt, die Victor Ambros und seine Mitarbeiter am Dartmouth College in Hanover (New Hampshire) und die Gruppe um Gary Ruvkun an der Harvard-Universität entdeckt hatten. In den letzten beiden Jahren konnten wir selbst, Tuschl, Ambros und andere Forscher dann einige hundert weitere microRNAs in Würmern, Fliegen, Pflanzen und auch beim Menschen aufspüren.

Hunderte übersehener Steuergene

Zusammen mit Chris Burge vom MIT haben wir abgeschätzt, dass menschliche Zellen über 200 bis 255 microRNA-Gene verfügen, was fast einem Prozent unseres Genpools entspricht. Sie waren vorher übersehen worden, weil man die Computerprogramme, die den Wust an Sequenzdaten nach Genen durchforsteten, nicht darauf geeicht hatte, diese besondere Art winziger Gene aufzuspüren, auf denen statt eines Proteins eine RNA als Endprodukt verschlüsselt ist.

Wie Zamore und James C. Carrington an der Staatsuniversität von Oregon nachwiesen, üben zumindest einige, vor allem pflanzliche, microRNAs in der bekannten Art ihre Aufgabe aus, indem sie komplementäre Boten-RNAs zerschneiden. Bonnie Bartel von der Rice-Universität in Houston (Texas) und wir konnten außerdem zeigen, dass diese Zensoren in Pflanzen vor allem Gene zum Schweigen bringen, die für Entwicklungsprozesse wichtig sind. Indem sie deren Botschaft während der Reifung unterdrücken, dürften sie mit dafür sorgen, dass sich die einzelnen Zellen jeweils in den korrekten Typ verwandeln und die richtigen Strukturen bilden.

Interessanterweise können die RNAs lin-4 und let-7, die beim Fadenwurm ursprünglich wegen ihrer Funktion als Schrittmacher der Entwicklung vom Ei zum erwachsenen Tier entdeckt wurden, ihre Aufgabe aber noch auf eine zweite Art erfüllen. Sie schnappen sich auch Boten-RNAs, die nicht ganz komplementär zu ihnen sind. Diese zerschneiden sie dann aber nicht, sondern verhindern über irgendeinen anderen Mechanismus die Translation in korrekte Proteine.

Angesichts dieser diversen Silencing-Strategien steht zu vermuten, dass die siRNAs noch mehr zu bieten haben. So mehren sich die Hinweise, dass sie nicht nur Boten-RNAs abfangen und der Zerstörung zuführen, sondern ihr Zensurwerk auch an der DNA selbst verrichten. Im Extremfall schneiden sie einzelne Gene einfach heraus, wie das Team um Martin Grovosky von der Universität Rochester bei dem einzelligen Süßwasserbewohner Tetrahymena thermophila beobachtete. Meist aber werden beim Silencing auf DNA-Ebene die Gene nicht wirklich entfernt, sondern nur fester verschnürt, was ihre Transkription verhindert.

Von bescheidenen Anfängen, als weiß gefleckte Petunien und fehlgebildete Fadenwürmer die Neugier der Forscher weckten, hat sich das Studium der RNA-Interferenz in kürzester Zeit zu einem imposanten Unternehmen ausgewachsen. Fast alle Bereiche der modernen Biologie, Biomedizin und Biotechnologie sind von dem Phänomen betroffen. Mehr und mehr Labors ergründen es daher an immer anderen Modellorganismen.

Und das ist auch gut so; denn viele faszinierende Fragen sind noch offen. Wie weit reicht das Spektrum biologischer Vorgänge, bei denen die RNA-Interferenz eine Rolle spielt? Wie funktioniert die Zensur auf der Ebene chemischer Bindungen und Reaktionsmechanismen? Gibt es Krankheiten, die auf Defekten im RNAi-System oder bei den microRNAs beruhen? Mit jedem Schritt, den die Wissenschaft bei der Klärung dieser Fragen vorankommt, nimmt unsere Kenntnis dieses erstaunlichen Phänomens solidere Formen an – und verfestigt sich schließlich vielleicht zum Fundament für eine neue Säule der genetischen Medizin.

Literaturhinweise


RNA-Interferenz: Ein neues Werkzeug zur Analyse der Genfunktion. Von Christian Eggert und Utz Fischer in: Biospektrum 4/2003, S. 372.

Gene Silencing in Mammals by Short Interfering RNAs. Von Mi­cha­el T. McManus und Philip A. Sharp in: Nature Reviews Genetics, Bd. 3, S. 737, Oktober 2002.

RNAi: Nature Abhors A Double-Strand. Von György Hutvánger und Philip D. Zamore in: Current Opinion in Genetics and Development, Bd. 12, S. 225, April 2002.


In Kürze


-Schon seit längerem lassen sich problemlos fremde oder modifizierte eigene Gene in Lebewesen einschleusen. Doch erst in den letzten Jahren entdeckten Biologen eine einfache und effiziente Methode, gezielt natürlich vorhandene Gene vorübergehend abzuschalten.
-Wie sich zeigte, enthalten fast alle pflanzlichen und tierischen Zellen ein System, das die RNA-Abschriften von potenziell schädlichen Genen abfängt und zerstört, bevor sie in Proteine übersetzt werden können.
-Diese so genannte RNA-Interferenz hat sich in der Evolution für einen doppelten Zweck herausgebildet: Sie schützt Zellen vor den Produkten gefährlicher Fremdgene und reguliert die Aktivität normaler zellulärer Gene im Verlauf von Wachstum und Entwicklung. Der Mechanismus lässt sich aber auch für neuartige Medikamente zur Behandlung oder Vorbeugung von Erkrankungen nutzen.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 2003, Seite 52
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
10 / 2003

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 10 / 2003

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