Die Suche nach den Regulatoren

Eleonora Adami aus der Forschungsgruppe Hübner zeigt die Verbindung zwischen der Regulation der Proteinsynthese und der Entstehung von Krankheiten in der besten Doktoranden-Publikation 2015

Wer heutzutage ins Ausland fliegen will, muss viele Kontrollpunkte und Sicherheitsschleusen passieren. Moleküle haben es noch schwerer: für sie gibt es noch mehr Regulationsmechanismen zu überwinden, denn die in der DNA enthaltenen Informationen werden verwendet, um Proteine zu bilden. Am Anfang steht die Aktivierung eines Gens, das in ein RNA-Molekül transkribiert wird. Nach mehreren Verarbeitungsschritten wird die RNA zur Messenger-RNA (mRNA), die nun bei der Translation in Proteine übersetzt werden kann. Bei jedem Schritt auf diesem Weg hat die Zelle die Möglichkeit einzugreifen und kann auf diese Weise kontrollieren, welche Arten und Mengen von Proteinen gebildet werden. Bei Krankheiten treten verschiedene Änderungen dieser Abfolge auf, wodurch gefährliche Moleküle durch die Kontrollschleusen gelangen und die Produktion essentieller Proteine fördern oder verhindern können. Wenn das geschieht, kann die Wissenschaft es zwar feststellen, es ist jedoch in der Regel sehr schwierig, genau zu ermitteln, wo die Unterbrechung der Abfolge stattgefunden hat.

Wirken sich manche Erkrankungen stärker auf die Regulation während der Translation aus, während andere frühere Phasen der Regulation beeinflussen? Verändern bestimmte Krankheiten die Art der eingesetzten Kontrollen und damit die betroffenen Moleküle? Komplexe Leiden wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Stoffwechselerkrankungen könnten sich gut als Systeme zur Erforschung dieser Fragen eignen.

Eleonora Adami ist die Gewinnerin des MDC PhD Prize 2015 - gestiftet von Annelise Pritzsche. Foto: Dario Jacopo Laganá

Eleonora Adami ist die Gewinnerin des MDC PhD Prize 2015 – gestiftet von Annelise Pritzsche. Foto: Dario Jacopo Laganá

In den vergangenen Jahren stand dieses Thema, an dem auch Eleonora Adamis Kollegen aus der Forschungsgruppe von Prof. Dr. Norbert Hübner am MDC mitarbeiteten, im Zentrum der Forschung für ihre Doktorarbeit. Aus dem Projekt ging ein Aufsatz hervor, der am 26. Mai 2015 in Nature Communications veröffentlicht und vom PhD Committee als beste Publikation einer MDC-Doktorandin im Jahr 2015 ausgezeichnet wurde. Der Preis wurde 2015 zum zweiten Mal vergeben. Er ist mit 1.000 Euro dotiert, gespendet von der Annelise-Pritzsche-Stiftung. Jede Publikation, bei der ein Student oder eine Studentin als Erstautor oder Erstautorin genannt ist, kann für den Preis eingereicht werden. Das PhD Committee trifft seine Wahl anhand der Qualität eines Projekts und seinem Potenzial, „einen wesentlichen Beitrag zum Fortschritt in dem Bereich zu leisten“.

Die Forschungsgruppe um Norbert Hübner befasst sich genomweit mit solchen Fragen, indem sie experimentelle Ansätze – wie biochemische Messungen der Mengen verschiedener Moleküle in Zellen – mit mathematischen Verfahren kombiniert. Im Rahmen ihres Projekts arbeitete Eleonora Adami zusammen mit dem Bioinformatiker Sebastian Schäfer (ebenfalls Erstautor des Artikels), außerdem mit anderen Mitgliedern der Forschungsgruppe sowie mit Nikolaus Rajewsky vom BIMSB, Forschern des Max-Planck-Instituts für Molekulare Genetik und weiteren internationalen Wissenschaftlern.

Komplexe Erkrankungen lassen sich nicht auf Fehler in einzelnen Molekülen zurückverfolgen; sie haben subtilere Ursachen, bei denen spezielle Formen zahlreicher Gene beteiligt sind. Der Krankheitsverlauf hängt zum Teil auch von der Lebensweise und von Umweltfaktoren ab. Aus den verursachenden Genen werden zwar funktionierende Proteine gebildet, aber diese könnten sich den normalen Regulationsmechanismen entziehen.

Adami nutzte bei ihrer Arbeit einen Rattenstamm, dessen biologische Merkmale viele Aspekte menschlicher Herz-Kreislauf- und Stoffwechselerkrankungen nachbilden. Erzeugt wurde der Stamm durch Inzucht über viele Generationen, wobei in der Nachzucht typischerweise eine Konzentration krankheitsfördernder Gen-Formen auftritt. So werden die Wirkungen der einzelnen Gene verstärkt, und die Forscher können leichter Moleküle ausfindig machen, die normalerweise nur gering zur Krankheit beitragen.

Für das Projekt verglich Adami diesen Rattenstamm mit einem anderen, sehr ähnlichen Stamm ohne kardiovaskuläre Symptome. Dabei suchte sie nach Unterschieden in der Art, wie die Zellen der beiden Stämme im gesamten Genom die Bildung von Molekülen regulieren. „Wir hofften, durch den Vergleich der Regulationsarten der Stämme – transkriptionell und translational – ein biologisches Verständnis solcher Erkrankungen zu erhalten“, erklärt sie.

Ein Teil der Studie konzentrierte sich auf molekulare Maschinen, die Ribosomen, die sich an die mRNA heften und ihre chemische Sequenz auslesen. Der RNA-Code sagt ihnen, welche Aminosäuren in welcher Reihenfolge als Bausteine zur Synthese eines Proteins gebraucht werden.

In der Regel heften sich während des gesamten Translationsvorgangs stets mehrere Ribosomen an eine mRNA. „Auf diese Weise konnten wir den Ablauf der Translation untersuchen“, sagt Adami. „Wir haben Gewebe schockgefroren, also quasi eine Momentaufnahme der Ribosomen gemacht, die so dauerhaft auf den mRNAs fixiert waren. Dann haben wir die Ribosomen aus den Zellen mitsamt den MRNA-Fragmenten, an denen sie hafteten, extrahiert. Durch die Sequenzierung dieser Fragmente fanden wir heraus, welche mRNAs zu diesem Zeitpunkt gerade übersetzt wurden.“

Die Forscher sammelten weitere Daten, um noch mehr von der Abfolge sichtbar zu machen. Sie katalogisierten den gesamten Satz von den Zellen erzeugter RNAs und konnten so erkennen, welche Gene aktiv waren. Anschließend katalogisierten sie alle Proteine und suchten dabei nach Molekülen, die mit den RNAs übereinstimmten. Auf diese Versuchsreihe folgte eine riesige, von Sebastian Schäfer angelegte, bioinformatische Analyse auf der Suche nach einem allgemeinen Muster vieler Moleküle, bei dem sich zwischen den Stämmen unterscheiden ließ.

Die Analyse ergab wichtige Unterschiede in der Art der Regulation von mRNAs bei den „Herz-Kreislauf-Ratten“ und dem anderen Stamm. „Wir haben am Rattenmodell festgestellt, dass bei vielen wichtigen mRNAs, die man beim Menschen mit kardiologischen und Stoffwechselerkrankungen in Verbindung bringt, die Translation aktiv reguliert wird“, erklärt Adami. „Unter diesen Genen findet sich eine Reihe von Molekülen, die biochemische Ereignisse in Herz und Leber steuern. Faszinierend, denn genau diese Gewebe werden bei den genannten Krankheiten am stärksten geschädigt.“

Darüber hinaus lieferten die Daten wichtige Erkenntnisse zur Methodik. „Unser Ansatz zur Sequenzierung der an den Ribosomen haftenden RNA war entscheidend, um die Regulierung vollständiger abbilden zu können“, meint sie. „So konnten wir zweimal so viele Unterschiede bei der Genregulation der beiden Stämme feststellen als bei anderen Datensätzen.“

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