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Eine faszinierende Frage in der Biologie ist: wie kann ein Haufen von biochemischen Molekülen, die sich nur so verhalten wie physikalisch-chemische Regeln vorschreiben, etwas so komplexes, kreatives, (manchmal) intelligentes, wie einen Menschen ergeben? Diese Frage wird hier nicht beantwortet, und auch nicht wie Krebs geheilt wird, aber ich erkläre unsere neuste Publikation. Darin beschreiben wir, wie menschliche Zellen Signale von außen unterscheiden können. Konkret geht es um den MAP-Signalweg, und genauer darum, wie die Zelle unterscheidet zwischen einem kurzen und einem langen Signalimpuls. Der MAP-Signalweg ist in der Krebsforschung wichtig, da er in vielen Tumoren übermäßig aktiv ist, und damit Zellwachstum fördert. In unserer Publikation, An immediate–late gene expression module decodes ERK signal duration, beschreiben wir, wie die Stabilität von RNA-Molekülen wichtig ist für die Signal-Dekodierung. Dies gehört ebenfalls zum Forschungsfeld der post-transkriptionellen Gen-Regulierung, die ich hier schon eingeführt habe. Die Publikation ist ein Zwischenschritt in einer längerfristig angelegten Zusammenarbeit zwischen Forschungsgruppen am Max-Delbrück-Centrum under Charité im Rahmen des Berliner Instituts für Gesundheitsforschung / Berlin Institute of Health.

Als Modell für die Experimente verwenden wir Zellen, in denen wir einen Faktor für den MAP-Signalweg anschalten können. Dieser Faktor, das RAF-Protein, aktiviert den Signalweg. Durch Zugabe eines Stoffes, U0126, kann der Signalweg wieder ausgeschaltet werden. Bekannt ist, dass ein kurzes Signal dazu führt, dass sich Zellen teilen. Dagegen führt ein langes Signal zum Tod der Zelle, oder zu Differenzierung in einen anderen Zelltyp. Wenn der Signalweg angeschaltet wird, führt das (über Zwischenstationen) zu Transkription bestimmter Gene, die dann entsprechend die Zelle verändern. Wie kann die Zelle nun zwischen „kurzen“ (1-2 Stunden) und „langen“ (länger als 4 Stunden) Signalimpulsen unterscheiden? Wie oben beschrieben: ein Mensch würde einfach eine Stoppuhr nehmen, eine Zelle muss das mit den biophysikalischen Eigenschaften ihrer Moleküle erledigen.

In unserer Publikation zeigen wir, dass die Stabilität einer Klasse von RNA-Molekülen den Unterschied zwischen „kurz“ und „lang“ feststellen kann. Viele Gene, die nach Aktivieren des Signalweges transkribiert werden, produzieren instabile RNAs. In einer Computersimulation zeigen wir, dass sie auf kurze und lange Impulse ähnlich reagieren. Wenn aber die produzierte RNA sehr stabil ist, dann akkumuliert sie bei langen Impulsen. Bei kurzen Impulsen hingegen nützt das nichts, weil die RNAs nur für eine kurze Zeit produziert werden, können es bei weitem nicht so viele werden. In der Simulation haben wir gesehen, dass durch diese relativ höhere Akkumulation stabile RNAs zwischen einem kurzen und einem langen Signalimpuls unterscheiden können.

Experimentell konnten wir diese Theorie dann bestätigen, indem wir die Stabilität der RNA-Moleküle von ungefähr zehntausend Genen gemessen haben (insgesamt gibt es in menschlichen Zellen ungefähr zwanzigtausend bis dreißigtausend Gene, viele davon sind aber nicht oder nur sehr wenig aktiv). Mit diesen Daten haben wir die mit der Computersimulation gefundene These bestätigt, nämlich dass es eine Klasse von Genen gibt („immediate late genes“, ILG), die wie „immediate early genes“ sofort inaktiviert werden, deren RNAs aber auf Grund der hohen Stabilität über die Zeit akkumulieren und damit den Unterschied zwischen einem kurzen und einem langen Impuls decodieren können. Viele dieser ILG-Gene befördern den Zelltod, was den oben beschriebenen Effekt erklärt, dass lange Signalimpulse eben den Zelltod herbeiführen.

 

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Über unseren neusten Artikel: Detecting actively translated open reading frames in ribosome profiling data gibt es einen so guten Artikel von Josef Zens, Kommunikationschef des MDC, dass ich gar nichts mehr schreiben muss: https://insights.mdc-berlin.de/de/2015/12/dem-ribosom-bei-der-arbeit-zuschauen/

Wenn ich gefragt werde, was wir den ganzen Tag so treiben im Labor, antworte ich manchmal „wir forschen an post-transkriptioneller Genregulation“. Das klingt so schneidig, dass dem Gegenüber erstmal die Luft wegbleibt, und er oder sie vor Ehrfurcht und Bewunderung erstarrt. Ziel erreicht, und ich nutze den Moment, um mich aus dem Staub zu machen, bevor ich mich erklären muss.

Neugierig geworden? Gut! Ausgangspunkt dieses Beitrages ist das „Zentrale Dogma der Molekularbiologie“, das das Verhältnis zwischen drei wichtigen biologischen Molekülarten beschreibt: die DNA (Erbgut, vor allem dauerhafter Informationsspeicher), die RNA (u.a. temporärer Informationsspeicher) und die an Hand der Information aus der RNA produzierten Proteine (Eiweiße, übernehmen biologische Funktionen wie bspw. Umwandlung von Nahrung in Energie für den Körper). Ursprünglich ging es beim „Dogma“ um Informationsfluss, wie hier (Abschnitte 4 bis 7) gut beschrieben, hat es sich aber zu einer Begründung für einen reduktionistischen Ansatz in der molekularbiologischen Forschung gewandelt. Kurz zusammengefasst: Information, bspw. was eine Zelle zu tun hat in einer bestimmten Situation, fließt nur „hinauf“, d.h. von DNA in Richtung RNA und Protein, und weiter zu Zelle und Gewebe. Wie sich aber in den letzten Jahren mehr und mehr gezeigt hat, und darum geht es grundsätzlich ebenfalls in unserer Publikation, sind solche linearen Vorstellungen nicht korrekt. Vielmehr bewegt sich biologische Information in extrem komplexen Netzwerken, von denen jetzt noch nicht gesagt werden kann, inwieweit sie überhaupt erfassbar sind.

Nun aber zu den konkreten Resultaten in der neusten Studie meines Labors am MDC Berlin, „RC3H1 post-transcriptionally regulates A20 mRNA and modulates the activity of the IKK/NF-κB pathway“. Es geht um das Protein Roquin (auch RC3H1 genannt), das einige Tausend verschiedene RNA-Moleküle binden kann. Zur Orientierung: in menschlichen Zellen gibt es gut 20’000 verschiedene Gene und eine ähnliche Anzahl verschiedener RNAs. Von den einzelnen RNA-Molekülen gibt es zwischen eines (oder gar keines) und einigen Tausend pro Zelle, je nachdem wieviel davon gebraucht wird. RNA-Moleküle, die die Information etwa für ständig gebrauchte Stoffwechsel-Proteine enthalten, sind viel häufiger als solche, die nur kurzzeitig für bestimmte Situationen gebraucht werden. Roquin bindet RNAs der zweiten Art, spezifisch solche, die als Antwort auf DNA-Schäden und auf TNFα gebildet werden. Während DNA-Schäden bspw. durch UV-Strahlen entstehen, und oft den Anfang von Krebserkrankungen bilden, ist TNFα insbesondere an Entzündungen beteiligt. Die Experimente haben gezeigt, dass Roquin von den vier möglichen „Buchstaben“ der RNA (A, C, G, U/T) insbesondere an U bindet, bspw. an die Sequenzen UUUAUUU oder UUUUUAA. Die Bindung von Roquin an RNA führt zu derem schnellen Abbau.

Warum ist das wichtig? Wenn die DNA einer Zelle beschädigt ist oder eine Entzündung stattfindet, führt dies zu einem „Alarmzustand“: die Zellteilung wird gestoppt, Reparaturmechanismen in Gang gesetzt. Konkret bedeutet dies u.a. die Produktion neuer RNAs und der daraus entstehenden Proteine. Einerseits muss nun das Ausmaß dieses „Alarmzustandes“ reguliert werden, andererseits die Zelle anschließend wieder in den „Normalzustand“ zurückgeführt werden. Roquin übernimmt nun genau diese Aufgabe, in dem es solche „Alarm-RNAs“ abbaut.

Eine der RNAs, die von Roquin gebunden werden, codiert das Protein A20. Dieses Protein hemmt den NF-kB-Signalweg, der u.a. von TNFα aktiviert wird. Indem Roquin die RNA von A20 abbaut, gibt es weniger A20-Protein, und damit ist der NF-kB-Signalweg stärker aktiv. Wichtig ist das, wie kürzlich gezeigt wurde, bei rheumatoider Arthritis: Mäuse ohne A20 entwickelten eine ähnliche Form von Arthritis. Wenn A20 also stabilisiert wird, könnte das in gewissen Fällen durchaus eine positive Auswirkung auf Entzündungskrankheiten haben. Unsere Arbeit gibt einen ersten Hinweis wie das gehen könnte: Wenn die Bindungsstelle von Roquin an die A20-RNA blockiert wird, gibt es etwas mehr A20, und das könnte zur Linderung der Arthritis beitragen. Mit dieser Arbeit haben wir einen kleinen Ausschnitt aus den komplexen biologische Netzwerke untersucht, und vielleicht auch einen Hinweis gefunden, wie bestimmte Krankheiten entstehen und möglicherweise sogar behandelt werden können.

 

 

Eines der heißesten Themen in der Molekularbiologie zur Zeit sind ringförmige RNA-Moleküle bzw. circRNAs (für „circular RNAs“). Mittlerweile erscheinen wöchentlich neue Artikel dazu, kürzlich war ich Mitautor einer neuen Studie des Labors des Direktors des Berliner Institut für molekulare Systembiologie, einem führenden Experten für circRNAs: Analysis of Intron Sequences Reveals Hallmarks of Circular RNA Biogenesis in Animals.

Wie enstehen die circRNAs und was ist besonders daran? Grundsätzlich wird Boten-RNA (mRNA) als temporärer Informationsspeicher von Genen auf der DNA abgelesen. Die Gesamtheit aller Gene bildet das Erbgut. In allen komplexeren Lebewesen (also ungefähr Hefe aufwärts) wird mRNA in einem ersten Schritt vom gesamten Gen abgelesen, und in einem zweiten Schritt werden die für die fertige mRNA nicht benötigten Teile, die Introne, herausgeschnitten:

Gene structure de.svg

Gene structure von Gene_structure.svg: Daycd, traced by Stannered derivative work: Furfur – Diese Datei wurde von diesem Werk abgeleitet: Gene_structure.svg . Lizenziert unter CC BY-SA 3.0

Üblicherweise, bzw. davon ging man bis vor kurzem aus, werden die Exone also linear zusammengesetzt. Nun scheint es aber öfters zu geschehen, dass ein Ende eines Exons mit dem anderen Ende desselben Exons verbunden wird, sodass eine ringförmige RNA entsteht. Seit Beginn der 1990er gab es gelegentlich Publikationen die auf circRNAs eingingen, wirklich an Fahrt aufgenommen hat das Thema erst Anfang 2013. Biologische Funktionen für circRNAs sind noch kaum bekannt, aktuelle Studien gehen vor allem auf deren Entstehung und Eigenschaften ein. In unserem Artikel beschreiben wir zwei Beobachtungen.

Erstens werden die Nukleotidsequenzen in den Intronen beschrieben, die die Wahrscheinlichkeit einer Zirkularisierung des dazwischen liegenden Exons erhöhen. Auf Grund der Kenntnis dieser Sequenzen können neue, bisher unbekannte circRNAs vorhergesagt werden (einige Tausend, bei insgesamt ungefähr 25000 menschlichen Genen), 21 wurden experimentell getestet, wovon wiederum ungefähr drei Viertel nachgewiesen werden konnten. Es ist also davon auszugehen dass – bisher unbeachtet – sich Tausende solcher circRNAs in unseren Zellen herumtreiben. Zweitens haben wir gezeigt, dass ein bestimmtes Enzym, das die RNA-Sequenz verändern kann, die Entstehung der circRNAs zu einem gewissen Grade hemmt. Das kann daran liegen, dass das Enzym die für die Zirkularisierung notwendige Interaktion zwischen zwei Intronen (siehe hier das mittlere Bild) stört – entweder direkt, oder durch die Veränderung der RNA-Sequenz.

Soweit kurz zusammengefasst die Resultate dieser Studie. Darüber hinaus wirft das Thema der zirkulären RNAs eine wissenschaftstheoretisch interessante Frage auf. Das Bild oben ist eine Darstellung von Genen mit Intronen und Exonen, wie man sie seit Jahrzehnten in Lehrbüchern und Publikationen sieht. Klar, übersichtlich – und falsch. Denn biologische Moleküle sind nicht rechteckig, sondern höchst flexibel und vor allem in ständiger schneller Bewegung. Die Darstellung oben lässt es dagegen als selbstverständlich erscheinen, dass Exone linear zusammengesetzt werden, weil sie in der Zeichnung schon so angeordnet sind. Eine Zirkularisierung an sich ist aber nicht von der Struktur des Gens eingeschränkt, diese Darstellung kommt dem deutlich näher. Die Frage ist nun: hat die überall verbreitete Darstellung der Gene und Exone als gerade angeordnete Kästchen das Denken so eingeschränkt, dass circRNAs erst viel später entdeckt wurden als es technisch möglich gewesen wäre? Schlüssig beantworten lässt sich die Frage wohl nicht, sie zeigt aber auf, dass die Art und Weise, wie naturwissenschaftliche Erkenntnis dargestellt wird, den Fortgang der Forschung entscheidend mitbestimmen kann.

Trompeten! Pauken! Tusch! – eine neue Blogserie wird angekündigt! „DIE PUBLIKATION: Wahnwitziges, Aufregendes, Bahnbrechendes aus der Welt der Wissenschaft!“

Oder anders gesagt: Dem sehr gemählichen Fortschritt der Wissenschaft folgend gibt es in der Kategorie „Die Publikation“ gelegentlich, im Abstand von eher mehreren Monaten als einigen Wochen, Erläuterungen zu wissenschaftlichen Artikeln, an denen ich beteiligt war. Und die den engen Horizont der Erkenntnis marginal und kaum merklich (aber doch ein bisschen! wirklich!) vergrößert haben. Wenn, wie Tom Lehrer sagt „we spent 20000 millions of taxpayer’s money to put some clowns on the moon“, sollte auch bekanntgegeben werden was dabei rauskam.

Heute also zu „CK1δ and CK1ε are components of human 40S subunit precursors required for cytoplasmic 40S maturation“ und „The beta-isoform of the BRCA2 and CDKN1A(p21)-interacting protein (BCCIP) stabilizes nuclear RPL23/uL14“. Beides sind Studien aus der Ribosomen-Biogenese, der Herstellung von Ribosomen in menschlichen Zellen. (Wikipedia ist Deine Freundin: über das Ribosom und die Grundlagen lebender Zelle, worin dies alles stattfindet – pausenlos in den Milliarden Zellen unserer Körper)

Das Ribosom ist ein für molekulare Verhältnisse sehr großes Konstrukt, bestehend aus zwei sehr großen und zwei kleinen RNA-Molekülen, und ungefähr 70-80 Proteinen. Dazu kommen noch ungefähr 200 Hilfsproteine und -RNAs (trans-acting factors genannt). Damit ein funktionelles Ribosom enstehen kann, sind hunderte von kleinen „Arbeitsschritten“ notwendig, von denen bisher nur wenige im Detail bekannt sind. Dazu gehört das Zurechtschneiden der RNA-Moleküle, die Bindung der ribosomalen Protein am richtigen Ort zum richtigen Zeitpunkt, Qualitätskontrolle usw. Zudem ist die Herstellung der Ribosomen natürlich kein isolierter Prozess, sondern mit den Tausenden anderen Vorgängen in der Zelle verknüpft und natürlich wird auch reguliert wieviele Ribosomen zu welchem Zeitpunkt entstehen. Da Ribosomen eine fundamentale Aufgabe in allen unseren bekannten Lebewesen spielen, und evolutionär sehr alt sind (wohl im Bereich von drei Milliarden Jahre), sind sie sich relativ ähnlich in den verschiedensten Organismen, von Bakterien über Hefen bis zum Menschen. Die meisten Erkenntnisse über Ribosomen-Biogenese wurden aus Hefe gewonnen, die sich deutlich einfacher kultivieren oder verändern lassen als menschliche Zellen in Zellkulturen. Die hier verlinkten Studien wurden aber in menschlichen Zellen gemacht; während viele Mechanismen wohl mehr oder weniger gleich sind wie in Hefe, bedingt das Zusammenspiel der Ribosomen-Biogenese mit den ungleich komplexeren Mechanismen in menschlichen Zellen (wie Zellwachstum oder Differenzierung) die Forschung in menschlichen Zellen.

Bei der ersten Studie haben wir gezeigt dass die Protein-Kinasen CK1delta und CK1epsilon in späten Schritten der Ribosomen-Biogenese eine Rollen spielen. Protein-Kinasen sind Proteine, die andere Proteine verändern können (durch Phosphorylierung). Wir haben gezeigt, dass CK1 zwei trans-acting factors, Ltv1 und Enp1, phosphoryliert, und dass die Blockade von CK1 mit einem Inhibitor späte Schritte der Ribosomen-Biogenese stört. Auch wenn wir keine direkte Kausalität zeigen konnten, legen die Resultate zusammengenommen nahe, dass CK1 relativ früh in der Ribosomen-Biogenese an das Prä-Ribosom (also das unfertige Ribosom bindet), ebenso wie Ltv1 und Enp1. Die Aktivierung von CK1 geschieht aber erst in einem späteren Schritt, und nach der Phosphorylierung fallen Ltv1 und Enp1 vom Prä-Ribosom ab, womit dann das Ribosom fast fertig ist.

CK1 hat neben der hier beschriebenen Funktion noch diverse andere Aufgaben. Unter anderem ist CK1 involviert in der Regulierung des Tag-Nacht-Zyklus, und es gibt auch schon Hinweise dass Ribosomen-Biogenese ebenfalls variiert ist während eines solchen Zyklus – was einleuchtend klingt, braucht doch der Körper für die höhere Aktivität tagsüber mehr Proteine, und damit auch mehr Ribosomen. CK1 könnte hier also eine Verbindung zwischen Tag-Nacht-Zyklus und der Produktion von Ribosomen herstellen.

In der zweiten Studie haben wir gezeigt, dass das Protein BCCIP, das in Säugetieren mit DNA-Reparaturmechanismen in Verbindung gebracht wurde, eine zweite Funktion in der Ribosomen-Biogenese haben könnte. Das B im Namen steht für „BRCA2-interacting“ – BRCA2 ist mit dem nahe verwandten BRCA1 wichtig für Brustkrebs und andere Krebsarten, war Grund für einen epischen Patentstreit und kam übrigens schon mal vor in meinem Blog. Die Verbindung zu Krebs besteht darin dass die BRCA-Protein für Genomstabilität zuständig sind; instabile/mutierende Genome sind eine wichtige Ursache für Krebs. BCCIP hat zwei Isoformen, alpha und beta. Wir haben gezeigt, dass ausschließlich die Beta-Isoform an das ribosomale Protein Rpl23 bindet und freies, d.h. nicht an Ribosomen gebundenes, Rpl23 stabilisiert. Gleichzeitig bindet es an den trans-acting factor EIF6. In früheren Arbeiten wurde gezeigt dass sowohl freies Rpl23 wie auch BCCIP über diverse andere Faktoren an der Regulierung des Zellzyklus und damit des Zellwachstums beteiligt. Die hier gezeigte Verbindung zwischen diesen Proteinen bzw. zwischen Ribosomen-Biogenese und Zellzyklus/Zellwachstum kann nun weitere Studien nach sich ziehen, um diese bspw. für Krebsentstehung wichtigen Zusammenhang auf molekularer Ebene aufzuklären.

 

PS: Wer all diese Wikipedia-Artikel angeklickt hat, könnte sich ja mal überlegen, für Wikipedia zu spenden, nicht?