Erkenntnisse aus der Computersimulation

mRNA-Strukturen haben eine Funktion

Forschende der Universitäten Jena und Gießen haben herausgefunden, dass die räumliche Struktur von mRNAs bei der Funktion eine Rolle spielt.

Bioinformatiker Dr. Markus Fricke von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Er ist Erstautor der aktuellen Studie. © Fransziska Hufsky/FSU

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Jena und Gießen haben per Computersimulation eine Entdeckung gemacht, die in den Zellen praktisch aller Lebewesen eine Rolle spielt: Sie stellten fest, dass die räumliche Struktur der Boten-Ribonukleinsäuren (engl. Messenger RNA, kurz mRNAs) Einfluss auf die Funktion dieser für die Vervielfältigung von Zellen wichtigen Moleküle nimmt.

Über mRNAs wird die genetische Information aus dem Erbgut der Zellen (DNA) in Proteine übersetzt und so für die Zelle nutzbar gemacht. Die Reihenfolge der DNA-„Buchstaben“ (chemisch Basen) in den Boten-RNAs bestimmt die Reihenfolge der Aminosäuren in den Proteinen. Dabei codieren jeweils drei aufeinanderfolgende Basen, Codon genannt, für einen Aminosäure-Baustein des Proteins. Zum Beispiel codiert die Basenfolge G-A-G für die Aminosäure Glutamat und C-G-U für die Aminosäure Arginin. Die aus den Aminosäuren gebildeten Proteine sind dann die eigentlichen Funktionsträger der Zelle.

Allerdings können die Basen der mRNAs auch untereinander wechselwirken. Dabei können zum Beispiel die Basen A und U miteinander paaren oder G mit C. Über die ursprünglich lineare Abfolge ihrer Basen (die Primärsequenz) hinaus kann die mRNA durch solche Basen-Paarungen dann auf einer übergeordneten räumlichen Ebene die RNA-Sekundärstrukturen bilden. Dies warf die Frage auf, ob solche RNA-Sekundärstrukturen nur rein zufällig gebildet werden oder ob sie selbst auch Funktionen haben.

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Die Arbeitsgruppe um die Bioinformatikerin Prof. Dr. Manja Marz an der Friedrich-Schiller-Universität Jena hat in Zusammenarbeit mit apl. Prof. Dr. Michael Niepmann vom Biochemischen Institut der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) die Häufigkeit von bestimmten Basen-Paarungen in allen theoretisch möglichen RNA-Sekundärstrukturen in den mRNAs aller Lebewesen gezählt. „Wir stellten fest, dass diejenigen Basen-Paare tendenziell vermieden werden, bei denen der erste Buchstabe eines Codons mit dem ersten Buchstaben eines anderen Codons paaren müsste“, sagt Prof. Marz. Die Forschenden nehmen daher an, dass die theoretisch möglichen RNA-Sekundärstrukturen in der Natur nicht nur tatsächlich gebildet werden, sondern auch Funktionen haben müssen und deswegen einem Selektionsdruck unterliegen.

Vermutlich sind die Codon-Sequenzen und die mRNA-Sekundärstrukturen im Rahmen einer Co-Evolution entstanden. Denn die an einer möglichen Basen-Paarung beteiligten Basen sind in ihrer Funktion zur Codierung der Aminosäuren wichtig und können nicht einfach geändert werden, nur um Basen-Paarungen in RNA-Sekundärstrukturen zu erlauben. Weiterhin schließen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Ergebnissen, dass der erste Buchstabe der Codons am wichtigsten ist für die Codierung der Aminosäuren – nicht wie bisher oft angenommen der zweite Buchstabe.

Welche Funktionen die mRNA-Sekundärstrukturen haben, ist noch nicht bekannt. „Vorstellbar sind eine allgemeine Stabilisierung der mRNAs oder spezielle Aufgaben bei der Regulation ihrer Aktivität“, so apl. Prof. Dr. Michael Niepmann. „Wir arbeiten nun daran, weitere Erkenntnisse über die möglichen Funktionen solcher RNA-Sekundärstrukturen zu gewinnen.“

Publikation
Markus Fricke, Ruman Gerst, Bashar Ibrahim, Michael Niepmann, Manja Marz: Global importance of RNA secondary structures in protein coding sequences. Bioinformatics, online veröffentlicht am 7. August 2018, DOI: 10.1093/bioinformatics/bty678

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