Die Logistik der Boten-RNA in den Nervenzellen

Wie Proteine innerhalb einer Zelle verteilt sind, ist entscheidend für deren Funktion. Das gilt besonders für Neuronen. Es beeinflusst die Entwicklung der Nervenzellen und sogar Lernen und Gedächtnis. Ein Team um Marina Chekulaeva hat erstmals systematisch analysiert, wie es zu der Lokalisierung kommt. Ihre Studie erschien in Nature Communications.

Nervenzellen müssen polar ausgerichtet sein, um ihre Funktion zu erfüllen. Über ein baumwurzelartiges Geflecht von Dendriten empfangen sie Signale von anderen Zellen, verarbeiten diese in ihrem Zellkörper (Soma) und leiten die resultierenden Impulse durch ein Axon und dessen Verzweigungen weiter. Damit diese Polarität entstehen und aufrechterhalten werden kann, sind in den Axonen und Dendriten (Neuriten) andere Proteinmuster notwendig als in deren Zellkörper.

Beitragsbild: Mit fluoreszierenden Farbstoffen markierte Nervenzellen, gewonnen aus embryonalen Stammzellen einer Maus. Bild: Allessandra Zappulo, MDC

Forscherinnen und Forscher vom Berlin Institute of Medical Systems Biology (BIMSB) am Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC) haben herausgefunden, dass die gezielte Verteilung von Boten-RNA (mRNA) in den Neuriten die Hauptrolle dabei spielt, die assymmetrischen Proteinmuster zu erzeugen. Die Ergebnisse erschienen im Fachblatt „Nature Communications“.

„Die Zelle kann die Proteinverteilung auf drei Arten erreichen:  Indem sie Proteine aktiv transportiert, indem sie gleichmäßig verteilte Boten-RNA an einem Ort effizienter in Proteine übersetzt als an anderen oder indem sie besonders viele Boten-RNA-Moleküle genau an denjenigen Orten bereitstellt, wo deren Proteinprodukte gebraucht werden“, erklärt Marina Chekulaeva, die die Studie am MDC leitete. Letzteres war der Fall. Um die Bedeutung des Befunds zu ermitteln, kombinierten Allesandra Zappulo, David van den Bruck, Camilla Ciolli Mattioli, Vedran Franke und ihre Kollegen eine Methode, um die Neuronen in ihre Teile aufzutrennen, mit einer genomweiten Analyse.

Das lokale Proteom, Transkriptom und Translatom

Mit Hilfe des Transkriptionsfaktors ASCL1 differenzierten sie zunächst embryonale Stammzellen von Mäusen in Neuronen. Sie züchteten diese Neuronen auf einer porösen Membran. So blieb deren Zellkörper auf der Membranoberfläche liegen, während deren Fortsätze nach unten auswuchsen. Dadurch konnten sie Soma und Neuriten voneinander trennen und separat untersuchen.

Im nächsten Schritt unterzog die Forscherinnen und Forscher das Proteom beider Zellkompartimente einer Massenspektroskopie und identifizierten dabei insgesamt 7.323 Proteine. 661 dieser Proteine kamen in den Neuriten mindestens doppelt so häufig vor wie im Soma. Aber wie viele von ihnen waren in der Boten-RNA kodiert, die in den Neuriten angereichert war? Als das Forschungsteam die Boten-RNA sequenzierte und die beiden Datensätze verglich, fand sie eine klare Korrelation: 303 der 661 in Neuriten angereicherten Proteine, also rund 46 Prozent, entstehen aus dort gezielt lokalisierter Boten-RNA.

Um diesen Befund zu erhärten, untersuchten die Forscher sowohl im Soma als auch in den Neuriten die Verbindungen der Ribosomen mit Boten-RNA und erhielten dadurch Momentaufnahmen der Translation. Der Vergleich dieser Aufnahmen mit denen aus dem Proteom und dem Transkriptom bestätigte, dass die in den Neuriten lokalisierte Boten-RNA weitaus häufiger in Proteine übersetzt wird als im Soma. Die Forscherinnen und Forscher bestätigten das Ergebnis, indem sie gerade produzierte Proteine mit nicht-natürlichen Aminosäuren markierten und die Proteinsynthese mithilfe der Bildgebung visualisierten.

Was beim RNA-Transport wichtig ist

„Um diesen ersten genomweiten Schnappschuss des lokalen Proteoms, Transkriptoms und Translatoms einer polar ausgerichteten Zelle erstellen konnten, haben etliche Labore zusammengarbeitet“, sagt Marina Chekulaeva. Die dabei gewonnenen Datensätze seien eine unschätzbare Ressource für die weitere Forschung. Das gilt umso mehr, als die Kollaboration einige nicht-kodierende RNAs und RNA-bindende Proteine (RBPs) gefunden hat, die in den Neuriten deutlich mehr angereichert waren als im Soma. Sie sind wahrscheinlich daran beteiligt, den Transport, die Translation oder die Stabilität von Boten-RNA in die Neuriten zu steuern.

Die Boten-RNAs sind in ihren nicht-kodierenden Bereichen mit Sequenzen ausgestattet, die wie Postleitzahlen ihr Transportziel angeben und von RBPs wie vermutlich auch von nicht-codierenden RNAs erkannt und gebunden werden. Vom Gelingen dieser RNA-Transporte hängt nicht nur die gesunde Entwicklung von Nervenzellen ab. Es nimmt während unseres ganzen Lebens Einfluss darauf, wie die Synapsen unserer Neurone auf Signale reagieren, wie gut wir also zum Beispiel lernen und uns erinnern können.

Neurodegenaration als eine RNA-Krankheit

„Wir wissen, dass einige neurodegenerative Erkrankungen wie die amyotrophe Lateralsklerose (ALS) und die spinale Muskelatrophie (SMA) mit Fehlern beim Splicen von RNA und deren Transport verbunden sind“, sagt Marina Chekulaeva. „Deshalb erforschen wir nun, ob und wie sich die Lokalisation der Boten-RNA und deren lokale Translation bei einer Neurodegeneration verändern.“

Weitere Informationen


Alessandra Zappulo1, David van den Bruck1, Camilla Ciolli Mattioli1, Vedran Franke2, Koshi Imami3, Erik McShane3, Mireia Moreno-Estelles4, Lorenzo Calviello5, Andrei Filipchyk6, Esteban Peguero-Sanchez1,7, Thomas Müller8, Andrew Woehler9, Carmen Birchmeier8, Enrique Merino7, Nikolaus Rajewsky6, Uwe Ohler5, Esteban O. Mazzoni4, Matthias Selbach3, Altuna Akalin2 and Marina Chekulaeva1 (2017): „RNA localization is a key determinant of neurite-enriched proteome.“ Nature Communications 8(583). doi:10.1038/s41467-017-00690-6

1Non-coding RNAs and Mechanisms of Cytoplasmic Gene Regulation, Berlin Institute for Medical Systems Biology, Max Delbrück Center for Molecular Medicine; 2BIMSB Bioinformatics Platform, Max Delbrück Center for Molecular Medicine; 3Proteome Dynamics, Max Delbrück Center for Molecular Medicine; 4Department of Biology, New York University, New York, USA; 5Computational Regulatory Genomics, Berlin Institute for Medical Systems Biology, Max Delbrück Center for Molecular MedicineL; 6Systems Biology of Gene Regulatory Elements, Berlin Institute for Medical Systems Biology, Max Delbrück Center for Molecular Medicine; 7Departamento de Microbiología Molecular, Instituto de Biotecnología, UNAM, Cuernavaca, Morelos, Mexico; 8Developmental Biology/Signal Transduction, Max Delbrück Center for Molecular Medicine; 9BIMSB Light Microscopy Platform, Max Delbrück Center for Molecular Medicine. Alessandra Zappulo, David van den Bruck, Camilla Ciolli Mattioli and Vedran Franke contributed equally to this work.

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