Forschung & Entwicklung

Blaulicht reguliert die Aktivität von RNA-Molekülen

Boten-RNA-Moleküle enthalten Erbinformationen und steuern damit die Synthese von Proteinen in lebenden Zellen. Nun wurde ein Weg entdeckt, diesen für die Genexpression zentralen Vorgang mithilfe von Licht zu regulieren.

Schon länger werden Lichtsignale eingesetzt, um auf DNA-Ebene die Transkription der Erbinformation – und folglich auch die von RNA-Molekülen bewirkte Proteinsynthese – zu verändern. Dieser Ansatz ist ein Teil der Optogenetik und stellt mittlerweile eine fest etablierte Methode der Molekular- und Zellbiologie dar. Eine neue Studie zeigt nun aber einen Mechanismus auf, um die Interaktion zwischen RNA und benachbarten spezifischen Proteinen durch Licht zu beeinflussen. Die Genexpression in Bakterien kann so direkt auf der Ebene der RNA-Moleküle gesteuert werden.

Den Forschern um Professor Andreas Möglich in Bayreuth und Professor Günter Mayer in Bonn ist der Nachweis gelungen, dass dieser Mechanismus auf die Zellen von Säugetieren übertragbar ist. „In den nächsten Jahren wollen wir unsere Erkenntnisse zu einer lichtgesteuerten, bei der RNA ansetzenden Regulierung diverser zellulärer Prozesse weiter vertiefen. Daraus resultierende, bis dato nicht zur Verfügung stehende Werkzeuge werden die Untersuchung zentraler zellulärer Vorgänge ungemein befördern. Der Grundstein für die Optoribogenetik, eine neuartige Ergänzung der Optogenetik, ist jetzt gelegt“, sagt Andreas Möglich.

Ausgangspunkt der Forschungsarbeiten war die Suche nach einem bakteriellen Fotorezeptorprotein, das in der Lage ist, unter dem Einfluss von Licht das eigene Bindungsverhalten in Bezug auf RNA zu ändern. Die Wissenschaftler durchsuchten die vorhandenen Sequenzdatenbanken und wurden fündig. Bakterien der Spezies Nakamurella multipartita enthalten ein Protein mit einer auffälligen dreigliedrigen Architektur: Drei verschiedene Abschnitte – sogenannte Domänen namens PAS, ANTAR und LOV – sind darin in einer ungewöhnlichen Reihenfolge hintereinander geschaltet. Wie in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Professor Robert Bittl an der Freien Universität Berlin gezeigt werden konnte, reagiert die LOV-Fotosensor-Domäne auf blaues Licht und leitet die Signale an die ANTAR-Domäne weiter. Diese verändert daraufhin ihre Struktur dahingehend, dass RNA-Moleküle gebunden und auf diesem Wege unzugänglich gemacht werden: Sie stehen nicht länger für die Genexpression zur Verfügung; die in ihnen enthaltene Erbinformation wird nicht mehr für die Synthese von Prote­inen genutzt.

Erst wenn die Blaulichtbestrahlung endet und die ANTAR-Domäne wieder in ihre normale Struktur zurückfällt, löst sich die Interaktion mit der RNA. Jetzt wird die RNA wieder aktiv. Die Forscher haben diesen Vorgang zunächst am Beispiel der RNA-Aptameren etabliert und nachgewiesen. Diese sind kleine RNA-Moleküle mit einer haarnadelähnlichen Struktur, die in die unter Blaulicht geöffnete Struktur der ANTAR-Domäne eindringen können und hier gebunden werden.

Ihren neuen Forschungsansatz haben die Wissenschaftler auch in eukaryotischen Zellen erprobt, in die sie das bakterielle Protein und die RNA-Aptamere zuvor eingeschleust hatten. Auch in diesen Zellen führen die durch Blaulicht ausgelösten Strukturänderungen dazu, dass Boten-RNA-Moleküle an das Protein binden und während dieses Zustands bei der Genexpression ausfallen. „Wir besitzen deshalb jetzt einen Lichtschalter, mit dem sich die zelluläre Aktivität von unterschiedlichen RNA-Molekülen gezielt ein- und ausschalten lässt“, erklärt Günter Mayer.

Sein Bayreuther Kollege Andreas Möglich ergänzt: „Der Ansatz zur lichtregulierten Kontrolle lässt sich prinzipiell auf zahlreiche andere RNA-basierte Prozesse, wie beispielsweise die Prozessierung von Mikro-RNAs und die damit verknüpfte Gen-Stilllegung, übertragen.“ In Folgestudien wollen die beiden Wissenschaftler mit ihren Arbeitsgruppen untersuchen, inwieweit sich der jetzt entdeckte Mechanismus in Modellorganismen zur Kontrolle der Genexpression anwenden lässt.

von mn

Originalveröffentlichung:

[Anna M. Weber et al., A blue light receptor that mediates RNA binding and translational regulation, Nat. Chem. Biol. (2019), DOI: 10.1038/s41589-019-0346-y]

www.uni-bayreuth.de

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