RNA war während der COVID-19-Pandemie ein beliebtes Thema, als der Durchschnittsamerikaner, der in der Schlange auf seine Impfung wartete, wusste, dass die Impfstoffe von Pfizer-BioNTech und Moderna auf der Basis von mRNA hergestellt wurden. Doch während RNA inzwischen zum Sprachgebrauch gehört, bleibt Ribonukleinsäure selbst für die Wissenschaftler, die sie untersuchen, außerordentlich komplex.
Die vielfältigen und umfangreichen Funktionen der RNA bleiben nach wie vor „die größte Blackbox der gesamten Molekularmedizin“, so Juan Alfonzo, Professor für Molekularbiologie, Zellbiologie und Biochemie an der Brown University und geschäftsführender Direktor des im letzten Jahr eröffneten neuen Brown RNA Center in der Abteilung für Biologie und Medizin.
Das Zentrum konzentriert sich auf grundlegende RNA-Entdeckungen und deren Umsetzung in die Behandlungsergebnisse der Patienten. In Zusammenarbeit mit anderen RNA-Experten hat das Zentrum auch ein internationales Projekt zur Identifizierung und Sequenzierung aller menschlichen RNA vorangetrieben – ein Projekt, das als Human RNome Project bekannt ist.
Alfonzo sagte, dass die Erforschung von RNA die Expertise von Forschern aus den verschiedensten Bereichen erfordert, darunter Biochemie, Genetik, Zellbiologie und mehr. Es erfordert auch ein Gefühl von Neugier und Ehrfurcht sowie dieselbe Freude, die Alfonzo an der RNA-Forschung empfindet.
Wenn er die Aktivitäten des RNA-Zentrums beschreibt, verwendet Alfonzo oft ein unerwartetes Wort: spielen. Er spricht von Wissenschaftlern, die mit Nanopartikeln „herumspielen“, um herauszufinden, wie man RNA am besten zu therapeutischen Zielen bringt; er verwendet den Ausdruck „Spiele spielen“, um sich auf den Prozess der Sequenzierung der RNA von Menschen und Krankheitserregern zu beziehen und herauszufinden, wie man sie zur Entwicklung von Heilmitteln und Immunität einsetzen kann.
Und er beschreibt das RNA Center als eine Drehscheibe, die führende Forscher aus verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen zusammenbringt und es ihnen ermöglicht, Hypothesen zu testen und gemeinsam Lösungen zu erarbeiten.
„Um ein richtiges Zentrum zu schaffen, muss man viele Leute mit unterschiedlichen Interessen zusammenbringen, die sich auf die RNA-Wissenschaft konzentrieren wollen und die gerne mit anderen zusammenarbeiten“, sagte Alfonzo. „Und dann sind der Fantasie keine Grenzen gesetzt.“
Hier entwirrt Alfonzo die Herausforderungen der RNA-Forschung und erklärt, was das Brown RNA Center unternimmt, um das Potenzial des Moleküls zu maximieren.
Wie unterscheidet sich RNA von DNA?
Ribonukleinsäure galt einst als der vergessene Cousin der DNA. Wie DNA ist RNA in allen lebenden Zellen vorhanden, aber strukturell besteht sie im Allgemeinen aus einem Strang statt aus zwei. Die gesamte DNA in einer Zelle, die zusammen als Genom bezeichnet wird, kodiert Hunderttausende Millionen von RNA-Molekülen, die aus DNA bestehen, und jede RNA hat eine andere Funktion und eine spezifische Informationssequenz.
DNA speichert Informationen, die zur Zellbildung erforderlich sind. Diese Informationen können jedoch nur verwendet werden, wenn es eine Möglichkeit gibt, sie zu extrahieren und in eine funktionale Einheit zu integrieren. RNA übermittelt die DNA-Informationen an die Maschinerie in der Zelle, die Proteine herstellt.
Man kann es sich so vorstellen: DNA ist wie eine Festplatte, und die gesamte RNA in einer Zelle ist wie Apps oder Computerprogramme – sie nehmen die auf der Festplatte gespeicherten Informationen, verarbeiten sie und liefern sie dorthin, wo sie benötigt werden, damit eine Zelle zu einem bestimmten Zelltyp werden kann. Ohne RNA können Sie keine Proteine herstellen, was bedeutet, dass Sie keine Zellen, Organismen oder Menschen herstellen können.
Wie hat sich unser Verständnis der RNA-Funktion in den letzten Jahren verändert?
Dank der kürzlich entwickelten Sequenzierungstechnologie können wir an einem einzigen Tag eine Gewebeprobe aus einer Biopsie entnehmen und das gesamte Genom einer Person sequenzieren oder kartieren. Diese Informationen müssen jedoch interpretiert werden, und die Interpretation ist die RNA. Daher verlagerte sich der Schwerpunkt auf die Sequenzierung der RNA.
Dabei kam man zu der Erkenntnis, dass in einem Genom, das so viel RNA kodiert, nur 2 % davon für die Proteinbildung bestimmt sind. Was macht all diese RNA dann, wenn nicht für die Proteinbildung? Das ist wahrscheinlich die größte Blackbox der Molekularbiologie.
Das Human RNome Project, das Brown leitet, zielt darauf ab, alle RNAs zu identifizieren und zu quantifizieren und ihre Modifikationen in normalen und erkrankten menschlichen Zellen und Geweben zu kartieren. Aber wir müssen auch die Funktion herausfinden. Und das braucht Zeit und umfasst viele Aspekte der Wissenschaft, von der Biochemie über die Genetik bis hin zur Zellbiologie und mehr.
Viele von uns haben RNA durch die Entwicklung des COVID-19-Impfstoffs kennengelernt. Wie wurde dieser entwickelt und was sagt uns das über die Leistungsfähigkeit von RNA?
Vor vielen Jahren begannen die Wissenschaftler Dr. Drew Weissman und Katalin Karikó sich folgende Frage zu stellen: Wenn typische Impfstoffe Proteine aus Viren enthalten, gibt es dann eine andere Möglichkeit zur Impfstoffherstellung, bei der den Menschen nicht das Protein selbst injiziert wird, sondern das Molekül, das das Protein so programmiert, dass es Immunität gegen das Virus erzeugt – die Boten-RNA selbst?
Es gab praktische Herausforderungen: RNA ist fragil und kann auch eine schlimme Entzündungsreaktion auslösen. Um einen sicheren, wirksamen Impfstoff herzustellen, musste man also nicht nur den immunitätsauslösenden Mechanismus beherrschen, sondern auch einen Weg finden, die RNA in der Zelle zu halten, ohne gefährliche Entzündungen auszulösen.
Während der Pandemie funktionierte die Modifikation dieser RNA, die das COVID-Genom darstellt. Und für diese Erkenntnis haben Weissman und Karikó im vergangenen Jahr den Nobelpreis gewonnen. Im Vergleich zur Herstellung eines proteinbasierten Impfstoffs, die viele Monate oder sogar Jahre dauern kann, dauert die Modifikation von RNA im Labor überhaupt nicht lange.
Das Schöne an RNA ist, dass sie stabil genug ist, um bei der Lösung eines Problems oder der Entwicklung eines Heilmittels oder Impfstoffs zu helfen, aber auch instabil genug, um die genetische Ausstattung eines Menschen nicht zu verändern, wie dies bei Manipulationen der DNA der Fall wäre.
Welche sind Ihrer Meinung nach die spannendsten potenziellen Anwendungen von RNA im Gesundheits- und Medizinbereich?
Die Sequenzierung der gesamten menschlichen RNA und ihrer Modifikationen könnte neue Diagnoseinstrumente für die Erkennung von Krankheiten wie Alzheimer hervorbringen, das Verständnis des menschlichen Körpers revolutionieren und zu Heilmitteln und Behandlungen für Krankheiten wie Krebs führen. Doch über Gesundheit und Medizin hinaus sind RNA-Modifikationen auch vielversprechend für die Lösung anderer Herausforderungen der Menschheit, wie etwa die Bekämpfung des Hungers durch die Steigerung der landwirtschaftlichen Produktivität.
Reden wir über Modifikationen: Winzige Änderungen an den Nukleotiden, die für die Funktion der RNA entscheidend sind. Ihr Forschungsschwerpunkt liegt auf RNA-Modifikationen einer speziellen RNA, der sogenannten Transfer-RNA (tRNA), die als Bindeglied zwischen dem mRNA-Molekül und der Aminosäurekette dient, aus der ein Protein besteht. Wie stark stehen Modifikationen im Fokus des RNA-Zentrums?
Das Hinzufügen von Modifikationen zu RNA ist einer der Schwerpunkte des RNA-Zentrums und stellt den Kern meiner Expertise dar. Es gibt 185 verschiedene Chemikalien, die der RNA auf natürliche Weise hinzugefügt werden, um Modifikationen zu erzeugen, und man kann sie für verschiedene Zwecke manipulieren.
Einige Forscher testen beispielsweise Modifikationen in der Hoffnung, einen Impfstoff gegen Krebs zu entwickeln. Da Modifikationen im Labor sehr schnell vorgenommen werden können, entwickelt sich das Feld sehr schnell.
Welche offenen Fragen gibt es zur Verwendung und Modifizierung von RNA zum Nutzen der menschlichen Gesundheit?
Nun, wir müssen nicht nur RNA und ihre Modifikationen sequenzieren, herausfinden, was unterschiedliche RNA in der Zelle bewirkt und wie RNA mit verschiedenen Krankheiten und Leiden zusammenhängt, sondern auch, wie man sie manipulieren kann. Im Vergleich zu typischen Impfstoffen ist die Verabreichung von RNA beispielsweise völlig anders. Wie also nimmt man die RNA und bringt sie dorthin, wo man sie haben möchte?
Hierauf wird heute ein großer Teil der Forschung verwendet. Stellen wir uns zum Beispiel vor, eine Person hat ein Problem, das ihre Leber betrifft. Wie macht man RNA so spezifisch, dass sie nur die Leber angreift und keinen anderen Bereich des Körpers? Hier beginnen Bioingenieure mit verschiedenen Nanopartikeln zu experimentieren und die RNA so zu verpacken, dass sie nur für ein Organ spezifisch ist und für keines der anderen.
Wie bringt das Brown RNA Center verschiedene akademische Abteilungen und Forschungsdisziplinen zusammen?
Ich beschreibe es als eine Reihe konzentrischer Kreise. In der Mitte befinden sich die Grundlagenforscher, die Molekularbiologie, Genetik, Biochemie und Biophysik erforschen, denn der Kern des Zentrums sollte die RNA-Grundlagenforschung sein – also die Frage, wie RNA mit Krankheiten und Leiden in Zusammenhang steht und von ihnen beeinflusst wird, damit sie in einer Therapie eingesetzt werden kann.
Das RNA Center hat gerade Shobha Vasudevan begrüßt, eine außerordentliche Professorin für Molekularbiologie, Zellbiologie und Biochemie (Forschung), die die therapeutischen Anwendungen von RNA erforscht; ihr Labor untersucht die Rolle von RNA-Mechanismen in Krebszellen.
Der nächste konzentrische Kreis sind die Bioingenieure, die herausfinden, wie man RNA nutzen kann – wie man die Entdeckungen in Therapien oder Medikamente umsetzt, um Krankheiten, Leiden oder Beschwerden zu behandeln. Das RNA-Zentrum hat gerade eine Bioingenieurexpertin namens Theresa Raimondo ins Team geholt, die für ihre Forschungen zur Verpackung und Bereitstellung von RNA für die Entwicklung neuer Therapien bekannt ist.
Schließlich gibt es noch die Ärzte, die die Therapien verschreiben und anwenden, um den Patienten zu helfen. Alle diese Personen sollten in der Lage sein, miteinander zu reden und die Probleme der anderen zu lösen.
Sie spielten eine führende Rolle in einem Konsensstudienausschuss, der 2023 von den National Academies of Science, Engineering und Medicine einberufen wurde, um die direkte Sequenzierung aller menschlichen RNA und ihrer Modifikationen zu untersuchen. Im März veröffentlichte der Ausschuss eine Bericht mit dem Titel „Eine Zukunft für die Sequenzierung von RNA und ihre Modifikationen planen“. Was waren einige der Erkenntnisse?
Wir sind an einem Punkt angelangt, an dem viele Wissenschaftler unterschiedliche Geräte zur RNA-Sequenzierung verwenden und in ihren jeweiligen Laboren unterschiedliche Datenbanken erstellen. Und die Daten sind nicht synchron. Wenn man RNA durch eines dieser Geräte schickt, erhält man rund eine Milliarde Informationen, die rechnerisch sortiert werden müssen – ich meine, diese Größenordnung ist verrückt.
Derzeit fehlt uns die Technologie, mit der RNA-Moleküle und ihre Modifikationen genau gelesen werden können. Ziel des Ausschusses war es, die Frage zu stellen, ob die wissenschaftliche Gemeinschaft RNA gut untersuchen und sequenzieren kann, und zwar auf eine Weise, die zuverlässig und vergleichbar ist. Können wir Standards für Geräte und Daten festlegen, sodass wir alle dieselben Ergebnisse vergleichen?
In dem Bericht bieten wir Fahrpläne für die Entwicklung von Technologien, Arbeitskräften und Datenbanken und fordern erhebliche Investitionen an Zeit und Ressourcen auf nationaler und internationaler Ebene.
Ende August findet in Washington ein RNA-Gipfeltreffen der anderen nationalen Akademien mit Regierungs- und Industriepartnern sowie Mitgliedern des Komitees der National Academies of Science, Engineering, and Medicine statt. Ziel ist es, darüber zu sprechen, wo wir als wissenschaftliche Gemeinschaft im Hinblick auf das Verständnis dieses bemerkenswerten Werkzeugs RNA stehen, wo wir hin müssen und wie wir dorthin gelangen.