zum Inhalt springen
Powered by

Die kleinen Dirigenten in der Zelle

Lange wurden sie übersehen. Dabei machen sie bei vielen Organismen einen großen Teil des Erbguts aus. Dass in einem Bakterium genauso wie in einer menschlichen oder pflanzlichen Zelle nichts ohne sie gehen würde, merken Biologen erst allmählich. Prof. Dr. Wolfgang Hess und seine Mitarbeiter vom Institut für Biologie III der Universität Freiburg sind schon seit einigen Jahren auf ihrer Spur. Die Rede ist von den sogenannten nichtcodierenden RNAs. In Bakterien, den Versuchsobjekten der Freiburger, regulieren diese kleinen Moleküle zum Beispiel den Energie- oder den Gesundheitshaushalt. Vermutlich aber noch vieles mehr.

Nur etwa fünf Prozent der menschlichen Erbmasse bestehen aus Genen. Wofür ist der ganze Rest der DNA da? In den letzten Jahren stellten Wissenschaftler immer deutlicher fest, dass zwischen den Genen von allen Organismengruppen DNA-Bereiche liegen, die ebenfalls transkribiert, also in RNA umgeschrieben werden. Aber sie dienen nicht als Bauanleitungen für Enzyme, Signalproteine oder Zellbauteile. Stattdessen dirigieren diese kurzen RNA-Stücke, auch nichtcodierende RNAs genannt, viele der molekularen Prozesse, die einer Zelle Leben einhauchen. Auch in Blaualgen (Cyanobakterien) ist ein gewisser Anteil des Erbguts oberflächlich betrachtet stumm. „Mit molekularbiologischen Methoden sind wir jedoch auch bei diesen Bakterien auf Bereiche gestoßen, die in nichtcodierende RNAs umgeschrieben werden“, sagt Prof. Dr. Wolfgang Hess von der Abteilung für Genetik und Experimentelle Bioinformatik am Institut für Biologie III der Universität Freiburg. „In weiteren Experimenten stellte sich dann heraus, dass diese Moleküle zum Beispiel die Energiegewinnung eines Bakteriums regulieren.“

Vielseitige Forschungsobjekte

Die Gemeinschaften aus Cyanobakterien in verschiedenen Wasserproben sind „bunt“ zusammengesetzt. © Prof. Dr. Wolfgang Hess

Blaualgen sind uralte Lebewesen, die seit mindestens 2,5 Milliarden Jahren die Erde bevölkern. Sie sind in vielerlei Hinsicht faszinierend. In der grauen Vorzeit erlangten sie die Fähigkeit, aus Sonnenlicht Energie zu gewinnen. Mit ihrer photosynthetischen Tätigkeit erzeugten sie aus CO2 und Wasser Sauerstoff und Biomasse. Damit füllten sie die damals ziemlich stickige Erdatmosphäre mit dem Gas, das seither das Leben von Tieren und anderen atmenden Organismen ermöglicht. Die meisten Wissenschaftler vermuten heute, dass ein urtümlicher Vertreter der Blaualgen außerdem von einer größeren Zelle verschluckt und so zu einem Teil von ihr wurde. Dieser sogenannten Endosymbiontentheorie zufolge entstanden so die ersten Pflanzenzellen mit den Chloroplasten, die Photosynthese betreiben können. „Heutzutage sind Cyanobakterien modern, weil sie ein unglaublich reiches Repertoire an exotischen Stoffwechselwegen zu bieten haben“, sagt Hess. Sie werden nicht nur als willkommene CO2-Schlucker gehandelt. Einige von ihnen können zum Beispiel auch Öle oder Alkohole herstellen. Was so manch einem das Wort Biodiesel auf die Zunge legt.

Die Blaualgen der Gattung Fischerella bilden mehrzellige Kolonien. © Prof. Dr. Wolfgang Hess

Für den Molekularbiologen Hess und sein Team sind Cyanobakterien faszinierende Forschungsobjekte. Sie können ziemlich problemlos ganze Genpakete untereinander austauschen. Bei einer im Meer lebenden Population könnte man daher eher von einem Metaorganismus mit einem Metagenom sprechen. Kein einzelnes Individuum hat zu einem bestimmten Zeitpunkt die Gesamtheit aller für die Art möglichen Gene. Diese verteilen sich vielmehr in verschiedenen Kombinationen auf alle Organismen. Und dann ist da noch die Sache mit den nichtcodierenden RNAs. Cyanobakterien sind ziemlich dankbare Versuchsobjekte. Sie lassen sich gut kultivieren, vermehren sich schnell und nehmen fremde DNA, die um sie herumschwimmt, gern in ihr eigenes Erbgut auf. Damit lassen sie sich genetisch leicht manipulieren.

In ihren Experimenten entdeckten die Freiburger Forscher in dem Cyanobakterium Synechocystis eine kurze DNA-Sequenz, die genau auf dem Gegenstrang eines Gens liegt. Diese Sequenz ist der Bauplan für eine nichtcodierende RNA. Das ihr gegenüberliegende Gen wiederum ist die Bauanleitung für ein Protein, das Bestandteil eines alternativen Lichtsammelkomplexes ist. Dieser Proteinapparat wird unter Stressbedingungen (wie etwa bei zu geringen Eisenkonzentrationen im Meer) aufgebaut. Er fängt Lichtstrahlen ein, aus denen im weiteren Verlauf Zucker und damit biologisch verwertbare Energie wird.

Vielseitige Forschungsobjekte

Die Blaualge der Gattung Synechocystis © Dr. Wolfgang Hess

„Wir haben festgestellt, dass das kurze RNA-Stück an die RNA-Abschrift des Gens bindet“, sagt Hess. Weil sich ihre DNA-Sequenzen genau gegenüberliegen, sind auch die beiden RNAs komplementär und paaren sich daher ziemlich gut. Solche Doppelstränge sind in der Zelle jedoch instabil und werden schnell und gezielt abgebaut. Auf diese Weise reguliert die nichtcodierende RNA die Menge des Proteins in der Zelle. „Sie steuert damit einen, wenn nicht sogar den grundlegendsten Vorgang des Lebens“, sagt Hess. „Dabei ist sie mit ihren 170 Nukleotidbausteinen Länge eher ein unscheinbarer Bursche.“

Dass die Kleinen eine große Wirkung haben können, zeigt auch eine andere Entdeckung. 2007 stellte sich heraus, dass Bakterien, die von Viren (den sogenannten Bakteriophagen) befallen werden und die Infektion überleben, Bruchstücke des viralen Erbguts in ihr eigenes Erbgut aufnehmen. Diese kurzen Sequenzen liegen flankiert von DNA vor, aus der nichtcodierende RNA gebildet wird. Die RNAs, die daraus resultieren, tragen also die Signatur eines bestimmten Virus. Sie lagern sich mit Proteinen zu großen Abwehrkomplexen zusammen und dienen als Sonden. Betritt das bekannte Virus noch einmal die Zelle, bindet sein Erbgut an die komplementären RNA-Stückchen und der Komplex zerschneidet es. „Es handelt sich dabei um ein lernfähiges Immunsystem“, sagt Hess. In manchen Bakteriengenomen gibt es ganze Batterien von kurzen Virussequenzen, die von nichtcodierenden RNAs flankiert werden. Ein immunologisches Archiv sozusagen, das bei Virusbefall sofort konsultiert werden kann. „Wir untersuchen momentan, wie das Viruserbgut nach dem Erstbefall in dieses genetische Archiv aufgenommen wird“, sagt Hess.

Zusätzlich dazu durchforsten die Biologen mit modernen automatisierten Methoden der Systembiologie, die gerade am Zentrum für Biosystemanalyse Freiburg (ZBSA) etabliert werden, die Genome ihrer Versuchsobjekte nach noch mehr unbekannten RNAs. Erste Experimente haben bereits mehrere Hundert verschiedene Kandidaten ans Tageslicht gefördert. Zum Vergleich: Bei dem extrem gut untersuchten Bakterium E. coli waren bisher rund 80 bekannt. „Wenn ein Bakterium, das zirka 4.000 Gene besitzt, Hunderte nichtcodierende RNAs mit sich schleppt, dann kann man sich vorstellen, wie viel da reguliert wird“, sagt Hess. Eines ist klar. Das Verhalten einer Zelle nur auf die Wirkung ihrer Proteine zu reduzieren, entpuppt sich mehr und mehr als ein bisschen naiv gedacht.

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/die-kleinen-dirigenten-in-der-zelle