Versteckter RNA-Reparaturmechanismus beim Menschen entdeckt

Ribonukleinsäuren (RNAs) sind einzelsträngige Moleküle, die in den Zellen aller lebenden Organismen eine wesentliche Rolle spielen. Als „Transkripte“ unserer Gene sind beispielsweise mRNAs an der Übersetzung von Erbinformationen beteiligt, indem sie in ihrer eigenen Sequenz die Bauanleitung für ein Protein tragen. „Um ihre vielfältigen Funktionen in der Zelle zu erfüllen, müssen RNAs nach ihrer Entstehung oft chemisch modifiziert oder nach Beschädigung repariert werden“, erklärt Andreas Marx, Professor für Organische und Zelluläre Chemie an der Universität Konstanz.

Eine chemische Reaktion, die hier eine Rolle spielt, ist die dreistufige Verknüpfung (Ligation) zweier RNA-Stränge an ihren jeweils gegenüberliegenden Enden. Diese Reaktion wird durch spezialisierte Enzyme, sogenannte RNA-Ligasen, ausgelöst und ist in allen Lebensformen vorhanden, von Viren über Pilze bis hin zu Pflanzen. Bei Wirbeltieren, einschließlich Menschen, mussten solche RNA-Ligasen noch identifiziert werden.

Ein interdisziplinäres Forscherteam aus Konstanz hat nun die erste humane RNA-Ligase dieser Art, das Protein C12orf29, entdeckt. Auf zellulärer Ebene zeigen die Studienergebnisse, veröffentlicht in Naturkommunikationlegen eine Schutzfunktion des Enzyms gegen zellulären Stress nahe.

Antioxidatives Abwehrsystem unserer Zellen

„Uns ist C12orf29 bei umfangreichen Studien an menschlichen Lungenkarzinom- und Nierenzellen aufgefallen, die wir auf der Suche nach Proteinen mit einer bestimmten chemischen Signatur durchgeführt und für die wir neue chemische Werkzeuge verwendet haben. Es hat unsere Aufmerksamkeit erregt, weil bis dahin nicht verstanden wurde, welche Funktionen das Protein hat waren“, sagt Marx.

Die Forscher entwickelten und verwendeten daher verschiedene Protokolle, um die Struktur des unerforschten Proteins zu reinigen und vorherzusagen, und führten Experimente durch, um seine chemische Funktion aufzuspüren. Damit konnten sie nachweisen, was zunächst nur ein begründeter Verdacht war: C12orf29 verknüpft RNA-Stränge mithilfe von Adenosintriphosphat (ATP).

Die Forscher konnten im Detail zeigen, dass dieser Prozess einem charakteristischen, dreistufigen Reaktionsmuster folgt, das von anderen RNA-Ligasen anderer Lebewesen bekannt ist. Um mehr über die Funktion von C12orf29 auf zellulärer Ebene zu erfahren, gingen die Forscher nach der Aufklärung des chemischen Mechanismus noch einen Schritt weiter.

„Wir haben mit der CRISPR/Cas-Genschere eine Linie menschlicher Nierenzellen erzeugt, in der das Gen für C12orf29 ausgeschaltet war. Diese Knockout-Zellen (KO) konnten wir dann unter verschiedenen experimentellen Bedingungen mit ‚normalen‘ Nierenzellen vergleichen, “, erklärt Marx.

Insbesondere bei der Behandlung der Zellen mit Menadion, einem K-Vitamin, wurden deutliche Unterschiede zwischen KO-Zellen und den Wildtyp-Zellen mit funktioneller RNA-Ligase beobachtet: Vergleichsweise geringe Menadion-Konzentrationen reichten aus, um KO-Zellen zu schädigen. Im Gegensatz dazu wurden die Wildtyp-Zellen erst bei deutlich höheren Konzentrationen geschädigt.

Da bekannt ist, dass Menadion oxidativen Stress verursacht, schlossen die Forscher aus diesem Ergebnis, dass C12orf29 vor oxidativem zellulärem Stress schützt. „Wir gehen davon aus, dass dieser biologischen Funktion von C12orf29 ein bisher verborgener menschlicher RNA-Reparaturmechanismus zugrunde liegt. Diesen Mechanismus müssen wir nun in weiteren Studien untersuchen“, sagt Marx.