Biochemie

Strukturaufklärung langer nicht-kodierender Ribonukleinsäuren

Chemiker der Universität Bonn haben eine Methode entwickelt, wie sich Struktur und Faltung von besonders langen RNA-Molekülen aufklären lassen.

Dr. Stephanie Kath-Schorr vom LIMES-Institut der Universität Bonn im Labor. © Barbara Frommann/Uni Bonn

Ribonukleinsäuren (RNA) sorgen dafür, dass die "Blaupause" im Zellkern in lebenswichtige Proteine übersetzt und die Zellfunktionen reguliert werden. Allerdings ist wenig über die Struktur und Funktionsweise besonders langer RNAs, die aus hunderten oder tausenden Bausteinen bestehen, bekannt. Chemiker der Universität Bonn haben nun hierfür eine Methode entwickelt: Mit winzigen „Fähnchen“ markieren sie die komplexen Moleküle und messen mit einem „molekularen Lineal“ die Abstände dazwischen. Die Ergebnisse werden im Fachjournal „Angewandte Chemie International Edition“ veröffentlicht (vorab online).

In lebenden Zellen läuft alles nach Plan: Die "Blaupausen" für sämtliche Bau- und Betriebsstoffe sind im Zellkern abgelegt. Wird zum Beispiel ein bestimmtes Protein benötigt, wird hierfür die genetische Information an der DNA abgelesen und in Ribonukleinsäure (RNA) übersetzt. Die RNA übermittelt den Bauplan an die Ribosomen. „Mehr als 80 Prozent der Ribonukleinsäuren sind aber überhaupt nicht an der Produktion von Proteinen beteiligt“, sagt Dr. Stephanie Kath-Schorr vom LIMES-Institut der Universität Bonn. Wahrscheinlich ist diese sogenannte „nicht-kodierende“ RNA an verschiedenen Regulierungsvorgängen in der Zelle beteiligt.

Wissenschaftler möchten viel besser verstehen, für welche Steuerungsprozesse die nicht-kodierende RNA zuständig ist. „Hierfür müssen wir aber zunächst verstehen, welche Strukturen Ribonukleinsäuren haben und wie sie gefaltet sind“, sagt Kath-Schorr. Die räumliche Struktur scheint für die Funktion der RNA eine wichtige Bedeutung zu haben. Sie entscheidet darüber, an welche Moleküle eine bestimmte RNA bindet und damit wichtige Prozesse in der Zelle auslöst.

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Ein Team aus Chemikern unterschiedlicher Fachbereiche der Universität Bonn hat nun gemeinsam eine Methode entwickelt, wie sich Struktur und Faltung von besonders langen RNA-Molekülen aufklären lassen. „Kürzere RNAs lassen sich mit der Kristallstrukturanalyse untersuchen, doch für große und flexible Ribonukleinsäurekomplexe ist diese Methode sehr schwierig anzuwenden“, sagt Erstautor Christof Domnick. Die Wissenschaftler suchten deshalb nach einem neuen Weg für RNAs, die aus mehreren hundert oder gar tausend Bausteinen bestehen.

Vorgehensweise zur Markierung

Die Wissenschaftler um Dr. Stephanie Kath-Schorr fügten zunächst zwei künstliche Buchstaben in den Erbgutstrang der DNA ein, die in dieser Form nicht in der Natur vorkommen. Bei der anschließenden Übersetzung in die RNA dienten diese künstlichen Buchstaben als eine Art „Fähnchen“ zur Markierung bestimmter Orte auf der mehrere hundert Bausteine umfassenden Ribonukleinsäure.

Die Positionen der Markierungen auf der RNA vermaßen die Forscher mit der PELDOR-Methode. „Wie mit einem Lineal auf molekularer Ebene lässt sich damit der Abstand zwischen den `Fähnchen´ vermessen“, sagt Prof. Dr. Olav Schiemann vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn. Die Markierungen können an unterschiedlichen Stellen der Ribonukleinsäure platziert und ihr Abstand voneinander bestimmt werden. Aus diesen Daten entsteht ein Bild der Struktur und Faltung der RNA.

„Wir haben zuvor mit kürzeren RNAs experimentiert und die Ergebnisse mit theoretischen Simulationen abgeglichen“, berichtet Kath-Schorr. „Die Übereinstimmung war sehr groß und die Methode damit zuverlässig.“ In Zukunft könnte die Struktur langer RNAs auch dreidimensional erfasst werden, wenn die markierten Ribonukleinsäuren aus unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen werden.

Anwendungspotenzial

„Unser Fernziel sind Messungen der RNA-Strukturen direkt in der Zelle“, sagt die Biochemikerin. „Das ist aber noch Zukunftsmusik.“ Die grundlegende Methode hat ein großes Anwendungspotenzial. Zum Beispiel dienen RNAs in der Krebsdiagnostik als wichtige Marker. Kath-Schorr: „Mit unserer neuen Methode zur Strukturaufklärung langer, nicht-kodierender Ribonukleinsäuren kann ein wichtiger Beitrag zum besseren Verständnis zellulärer Prozesse geleistet werden.“

Publikation: Christof Domnick, Frank Eggert, Christine Wuebben, Lisa Bornewasser, Gregor Hagelueken, Olav Schiemann, and Stephanie Kath-Schorr: EPR distance measurements on long non-coding RNAs empowered by genetic alphabet expansion transcription, Angewandte Chemie International Edition, DOI:10.1002/anie.201916447

Quelle: LIMES Institut – Chemische Biologie und Medizinische Chemie Universität Bonn 

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