David versus Goliath: Winzige RNA legt Ribosom lahm
Die zelluläre Proteinfabrik, das Ribosom, kann durch eine kleine spezifische Ribonukleinsäure (RNA) reguliert und sogar lahmgelegt werden. Diesen bisher unbekannten Mechanismus zeigen nun Berner Forschende auf. Dies erlaubt wichtige molekulare Einblicke in die Vielfalt der RNA-Biologie und könnte neue Möglichkeiten für die Entwicklung antimikrobieller Substanzen erschliessen.
Das Ribosom ist ein Relikt aus der Urzeit des Lebens und evolutionsbiologisch voraussichtlich eines der ältesten Enzyme der Biologie. Es ist für die Herstellung aller Proteine in sämtlichen Zellen in jedem Organismus verantwortlich. Fast zwei Drittel der Gesamtenergie einer Zelle werden in die Herstellung von Ribosomen und in die Synthese neuer Proteine gesteckt. Die zentrale Rolle des Ribosoms im Stoffwechsel wird ausserdem dadurch verdeutlicht, dass ein Grossteil der bekannten Antibiotika das bakterielle Ribosom angreift und hemmt.
Forschende um Professor Norbert Polacek am Departement für Chemie und Biochemie der Universität Bern gingen nun der Frage nach, ob es kleine nichtkodierende RNA (ncRNA) gibt, die das Ribosom selbst regulieren. Unter ncRNA werden Ribonukleinsäuren (RNA) verstanden, die nicht in Proteine übersetzt werden. Generell dienen RNA in der Zelle jedoch als Informationsträger für die Umsetzung von genetischen Informationen in Proteine.
Die Forschungsergebnisse, welche in der internationalen Fachzeitschrift «Molecular Cell» veröffentlicht wurden, weisen auf einen völlig neuen Regulationsmechanismus der Proteinbiosynthese hin und bieten womöglich neue Strategien für die Entwicklung antimikrobieller Substanzen.
Kleine RNA mit grosser Wirkung
Ein relativ junges und schnell an Wissen und Popularität gewinnendes Wissenschaftsfeld beschäftigt sich mit kleinen regulatorischen ncRNAs. 2006 wurden zwei amerikanische Forscher auf diesem Gebiet mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin gewürdigt.
«In vergangenen Jahren wurden immer mehr ncRNAs entdeckt, welche die Genaktivität regulieren können. Jedoch zielen viele dieser bereits beschriebenen ncRNAs auf die Vorlage der Proteinproduktion, die sogenannte messenger RNA (mRNA), ab», erklärt Norbert Polacek. Mit seinem Team konnte er nun jedoch zeigen, dass kleine ncRNAs auch direkt das zentrale Enzym der Proteinsynthese, das Ribosom, regulieren können.
Die Forschenden entdeckten in der Bäckerhefe, einem Modellorganismus, eine ncRNA, die nur 18 Bausteine lang ist, aber das etwa 1000 Mal grössere Ribosom binden und unter bestimmten Bedingungen in seiner Aktivität lahmlegen kann. «Es handelt sich dabei um eine klassische David gegen Goliath Situation, die dazu führt, dass nicht nur einzelne Proteine in der Zelle reguliert werden, sondern eine komplette Stilllegung der Proteinfabrik herbeigeführt werden kann», wie Andreas Pircher, Doktorand und Hauptautor der Studie, erklärt.
Das Forscherteam konnte damit ein weiteres Puzzleteil zur Vielfalt der RNA-Biologie hinzufügen und einen bis dato unbekannten Mechanismus der Regulation der Genaktivität aufklären. Weiterführende Studien in der Gruppe von Norbert Polacek zeigen, dass solche Ribosomen-bindenden ncRNAs weit verbreitet sind und in allen Organismen gefunden werden können.
«Wir vermuten daher, dass es sich dabei um einen evolutionsbiologisch alten Regulationsmechanismus handelt. Auch Bakterien und Parasiten, die den Menschen befallen, sind offensichtlich auf die Wirkung solch kleiner ncRNA Regulatoren angewiesen, was für die Entwicklung antimikrobieller Stoffe neue Angriffsziele bietet», so der Biochemiker.
Angaben zur Publikation:
Pircher, A., Bakowska-Zywicka, K., Schneider, L., Zywicki, M., and Polacek, N.: An mRNA-derived non-coding RNA targets and regulates the ribosome, Molecular Cell, April 2014, doi: 10.1016/j.molcel.2014.02.024
28.03.2014