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Computermodelle für unterschätzte Alleskönner

Lange hatte sie niemand auf der Rechnung. Denn sie enthalten keine Bauanweisung für Eiweiße und schienen somit keine relevante biologische Rolle zu spielen. Heute ist klar: Nichtcodierende RNAs sind die Puppenspieler der Zelle. Wenn Proteine die Maschinerie darstellen, die molekulare Zellvorgänge vermittelt, so sind es die kleinen Ribonukleinsäuren, die diese Maschinerie steuern. Wie kann man sie im Chaos des Erbguts aufspüren? Wie kann man ihre Struktur bestimmen? Wie ihre konkreten Angriffspunkte in der Zelle aufklären? Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Rolf Backofen von der Universität Freiburg entwickelt ein unverzichtbares Instrumentarium: Computerprogramme, die zweidimensionale Strukturmodelle der kleinen Alleskönner erstellen. Und noch vieles mehr können.

Nur etwa 1,5 Prozent des Erbguts codiert für Proteine. Trotzdem werden achtzig bis neunzig Prozent transkribiert, also von DNA in RNA umgeschrieben. Warum macht die Zelle sich die Mühe, so große Bereiche ihres Genoms zu übersetzen? Welche Funktion erfüllt der ganze Rest der entstehenden RNA? Heute kennen Forscher immer mehr Antworten. Die sogenannten nichtcodierenden RNAs, die meistens nicht länger sind als einige Hundert Basenpaare, können zum Beispiel die Translation von Proteinvorläufern (den sogenannten mRNAs) steuern, indem sie eine Bindung mit ihnen eingehen. Sie können die Aktivität von Enzymen beeinflussen. Es ist außerdem bekannt, dass sie die Transkription von Genen steuern können, indem sie sich ans Erbgut anlagern. In einigen Fällen kann ihr Fehlen sogar Krebs auslösen. “Wir haben Jahre lang nur Proteine und DNA untersucht und haben uns gefragt, warum wir die Zelle nicht verstehen”, sagt Prof. Dr. Rolf Backofen vom Institut für Informatik (IIF) der Universität Freiburg. “Heute ist klar: Nichtcodierende RNAs sind diejenigen, die die Fäden ziehen. Sie steuern einen Großteil der Maschinerie aus DNA und Proteinen.” Forscher wollen wissen, wie die kleinen Moleküle ihre steuernde Rolle ausführen. Dazu reichen biologische Experimente nicht aus, denn für die Funktion von RNAs ist nicht ihre bloße Basensequenz entscheidend wie im Falle der DNA. Man muss ihre zwei- und dreidimensionale Struktur kennen.

Über die Evolution hinweg wichtig

Gegenüberstellung der zweidimensionalen (Sekundär-) und der dreidimensionalen (Tertiär-) Struktur von RNA. © Prof. Dr. Rolf Backofen

“Es ist heute glücklicherweise möglich, die zweidimensionale Faltung von RNAs relativ zuverlässig vorherzusagen”, sagt Backofen. “Das ist wichtig, denn das ist der Ausgangspunkt für die Untersuchung ihrer Funktion.“ Wissenschaftler, die sich mit der Rolle der nichtcodierenden RNAs beschäftigen, stehen heute noch am Anfang ihrer Arbeit. Es ist in den meisten Fällen noch nicht einmal klar, in welchen Bereichen des Erbguts eigentlich die Bauanleitungen für die kleinen Moleküle liegen. Eine Möglichkeit, das herauszufinden, ist, das Erbgut von verschiedenen Organismen zu untersuchen und ähnliche Sequenzen in nichtcodierenden Bereichen des Genoms miteinander zu vergleichen. Ähnlichkeiten in der zweidimensionalen Struktur der resultierenden RNAs in unterschiedlich alten Organismengruppen sind ein starker Hinweis darauf, dass diese Strukturbereiche sich in der Evolution kaum verändert haben. Und diese evolutionäre Konservierung bedeutet wiederum, dass die Bereiche wahrscheinlich eine wichtige Funktion haben. Genau diese Bereiche sind vermutlich die Blaupausen für nichtcodierende RNAs.

Aber wie können Forscher die zweidimensionale Struktur von RNAs vergleichen? “Dazu sind intelligente Computeralgorithmen notwendig”, sagt Backofen. Er und sein Team entwickeln solche Algorithmen. Mit ihren Computerprogrammen können sie das wahrscheinlichste aller Faltungsmuster einer gegebenen RNA mit einer bestimmten Basenabfolge bestimmen. Die Basenabfolge einer RNA lässt potenziell, anders als bei der immer helikal angeordneten DNA, viele verschiedene Faltungsmuster zu. Unterschiedliche Bereiche im zunächst fadenförmigen RNA-Molekül können aneinander binden und so Schlaufen oder sogenannte Haarnadelstrukturen bilden. Nicht alle Bindungen sind energetisch gesehen vorteilhaft, sie bilden sich oft wieder zurück. Trotzdem kommen immer mehrere Varianten in einer Zelle vor. Die Energie, die eine bestimmte Bindung und die daraus resultierende zweidimensionale Struktur erfordert, können Forscher über die Wärmemenge messen, die nötig ist, damit die Bindung sich wieder löst. Die Temperaturen (sogenannte Turner-Parameter) sind die Grundlage für das Computerprogramm, das Backofen und sein Team entwickelt haben.

Wie interagieren Moleküle?

“Im Prinzip können wir für jeden Bereich eines RNA-Moleküls die energetisch günstigste Faltungsstruktur vorhersagen”, sagt Backofen. Addiert man alles zusammen, dann ergibt sich daraus die wahrscheinlichste Gesamtstruktur des Moleküls. Jetzt können die Informatiker ganze Gruppen von RNAs paarweise miteinander vergleichen. Mit der frei zugänglichen Software LocARNA, die in der Arbeitsgruppe von Backofen entwickelt wurde, haben die Forscher auf diese Weise vielen Biologen geholfen, nichtcodierende RNAs im Genom verschiedener Modellorganismen zu finden. Und sie haben in einigen Fällen sogar entscheidende Hinweise auf eine biologische Funktion geliefert. Ein Beispiel ist ein Projekt innerhalb des Schwerpunktprogramms “bakterielle nichtcodierende regulierende RNAs”, das die Freiburger Informatiker zusammen mit der Arbeitsgruppe des Mikrobiologen Prof. Dr. Wolfgang Hess vom Institut für Biologie der Universität Freiburg durchgeführt haben. Die Biologen lieferten Backofen und seinen Mitarbeitern verschiedene Sequenzen von nichtcodierender RNA. Die Informatiker sollten vorhersagen, mit welchen Zielen in der Zelle die Moleküle interagieren würden.

Zwei RNA-Moleküle interagieren miteinander, indem sich zwischen einigen Basen Paarungen ausbilden. © Prof. Dr. Rolf Backofen

Ihr Programm berechnet nämlich nicht nur wahrscheinliche Interaktionen innerhalb eines Moleküls. Auf der gleichen Grundlage kann es auch wahrscheinliche Interaktionen zwischen zwei Molekülen vorhersagen. Backofen und Co gelang es, die zweidimensionale Struktur der Moleküle aufzuklären. Ihr Programm ließ diese Struktur mit verschiedenen mRNAs in der Zelle interagieren. Es berechnete die aufgrund der Energiezustände wahrscheinlichsten Bindungen. Es stellte sich heraus, dass sechs mRNAs aus dem untersuchten Pool besonders wahrscheinliche Bindungspartner der nichtcodierenden RNA waren. Die sechs möglichen Zielstrukturen wurden dann von den Biologen in einem Bindungsexperiment untersucht. Dabei zeigte sich, dass drei der sechs mRNAs tatsächlich durch die nichtcodiernde RNA in ihrer Aktivität reguliert wurden. Die drei verbliebenen RNAs wurden nicht ausreichend translatiert, so dass keine Aussagen über die Regulation getroffen werden konnte. Jetzt versuchen die Forscher herauszufinden, was diese Regulation in der Zelle bewirkt.

Noch enger zusammenarbeiten

Backofen und sein Team kooperieren mit empirisch arbeitenden Forschergruppen aus Freiburg, Deutschland, Österreich, Neuseeland, Kanada, den USA und vielen mehr. In Zukunft wollen sie Programme entwickeln, die Vorhersagen zum zeitlichen Verlauf von Interaktionen zwischen RNAs berechnen können. Denn die Zelle ist ein dynamisches Geflecht aus molekularen Interaktionen. Dazu wird eine komplexe Mathematik notwendig sein und viel Rechenpower. Aber eines ist klar: Ohne solche Programme werden Biologen die tatsächlichen Vorgänge in einer Zelle niemals vollständig verstehen lernen. Empirische Biologie und Computerwissenschaften müssen in Zukunft noch enger zusammenarbeiten.

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