Wissenschaftler nutzen die Kraft und Präzision der RNA, um Mutationen unsichtbar zu machen

Wissenschaftler haben einen neuen Weg entdeckt, um Mutationen zu unterdrücken, die zu einer Vielzahl von genetischen Störungen führen.

Eine Studie, die kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Molekulare Zelle beschreibt eine Strategie, die einen normalen RNA-Modifikationsprozess in Zellen nutzt, um Krankheitsgene in normale Gene umzuwandeln, die gesunde Proteine ​​produzieren. Die Ergebnisse sind bedeutsam, weil sie den Forschern letztendlich dabei helfen können, den Verlauf verheerender Erkrankungen wie Mukoviszidose, Muskeldystrophie und vieler Krebsarten zu ändern.

Unsinn verneinen

Etwa 15 % der Mutationen, die zu genetischen Krankheiten führen, werden als Nonsense-Mutationen bezeichnet. Treffend benannte Nonsense-Mutationen treten auf, wenn ein mRNA-Molekül ein frühes „Stopp“-Signal enthält. Wenn die mRNA genetische Anweisungen von der DNA erhält, um ein Protein zu erstellen, weist dieses frühe Stoppzeichen die Zelle an, die Anweisungen mitten im Prozess nicht mehr zu lesen. Dies führt zur Bildung eines unvollständigen Proteins, das zu Krankheiten führen kann.

Unter der Leitung von Yi-Tao Yu, Ph.D., entwarf ein Forscherteam des Zentrums für RNA-Biologie der Universität Rochester eine künstliche Leit-RNA – ein Stück RNA, das andere Arten von RNA modifizieren kann – um auf mRNA-Moleküle abzuzielen, die frühe enthalten Stoppsignale (auch vorzeitige Terminationscodons genannt). Leit-RNAs sind ein natürlicher Mechanismus, den Zellen ständig verwenden; Yus Team änderte diesen bereits bestehenden Prozess.

Wie die DNA besteht auch die RNA aus molekularen Bausteinen, die durch die Buchstaben A (Adenin), G (Guanin), U (Uracil) und C (Cytosin) dargestellt werden. Vorzeitige Terminationscodons haben immer den Baustein U an erster Stelle (z. B. UAG, UAA oder UGA). Die künstliche Leit-RNA des Teams wurde entwickelt, um das U an der ersten Position zu modifizieren und die molekulare Zusammensetzung der Ziel-mRNA so zu verändern, dass das Stoppsignal von der Zelle nicht mehr – oder weniger gut – erkannt wird.

Das Team, darunter Paul Boutz, Ph.D., Assistenzprofessor für Biochemie und Biophysik; die Doktoranden Yi Pan und Xueyang He; Postdoktorand Jonathan Chen; angestellter Wissenschaftler Hironori Adachi; und Forscher von ProQR Therapeutics testeten die künstliche Leit-RNA in Hefezellen und in menschlichen Krankheitszellen (abgeleitet von Mukoviszidose- und Neurofibromatose-Patienten). In beiden Fällen stellten sie fest, dass die Wirkung der künstlichen Leit-RNA das vorzeitige Terminationscodon (Stoppschild) unsichtbar machte, sodass die Zellen die genetischen Anweisungen vollständig lesen und funktionsfähige Proteine ​​in voller Länge erstellen konnten.

Sie entdeckten auch, dass die Leit-RNA einen anderen Mechanismus in der Zelle unterdrückt, der als Nonsense-vermittelter mRNA-Zerfall oder NMD bekannt ist. NMD ist eines der wichtigsten Überwachungssysteme im Körper und eliminiert mRNAs mit vorzeitigen Terminationscodons, sodass kein Protein produziert wird. Die Eindämmung von NMD ist ein weiterer Weg, wie die künstliche Leit-RNA sicherstellte, dass eine signifikante Menge an mRNA in der Zelle vorhanden war und dass die genetischen Anweisungen, die von den Ziel-mRNAs getragen wurden, vollständig gelesen und in vollständige Proteine ​​übersetzt wurden.

Die RNA-Route bringt große Vorteile

Zystische Fibrose (CF) ist eine von vielen Erkrankungen, die aus einer Nonsense-Mutation resultieren können. Bei CF führt eine unsinnige Mutation im CFTR-Gen zur Produktion von unvollständigen CFTR-Proteinen, die für die Regulierung des Salz- und Flüssigkeitsflusses in und aus den Zellen verantwortlich sind. Das Ergebnis ist die Ansammlung von dickem Schleim und anhaltenden Lungeninfektionen, die den Zustand charakterisieren. Yu glaubt, dass die Strategie seines Teams, unsinnige Mutationen in Krankheitsgenen zu unterdrücken, ein großes Potenzial hat, Patienten mit CF und vielen anderen erblichen genetischen Krankheiten zu helfen.

„Unsere Technik ist vielversprechend, weil wir keine negativen Off-Target-Effekte beobachtet haben. Mit einer einzigen Leit-RNA in Krankheitszellen – und sonst nichts – können wir spezifisch unsinnige Mutationen unterdrücken, ohne andere Teile der Zelle zu stören“, bemerkte Yu, Dean’s Professor für Biochemie und Biophysik an der University of Rochester School of Medicine and Dentistry. „Bei Gentherapien auf DNA-Ebene gibt es immer Bedenken hinsichtlich der Spezifität, da Veränderungen an der DNA dauerhaft sind. Da RNA vorübergehend ist, gibt es weniger Sorgen über lang anhaltende Auswirkungen eine Stelle im Genom und nehmen sehr präzise Änderungen vor.“

„Die Forschung von Dr. Yu steht an der Spitze der vielversprechendsten Behandlungsmodalitäten für Mukoviszidose und möglicherweise andere genetische Erkrankungen“, sagte Jeffrey J. Hayes, Ph.D., Vorsitzender und Shohei Koide-Professor für Biochemie und Biophysik an der University of Rochester Schule für Medizin und Zahnmedizin. „Das sind wirklich aufregende Zeiten.“