Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Dem Ribosom bei der Arbeit zuschauen

18.12.2015

Ein neues statistisches Verfahren könnte dabei helfen, die Funktion von bisher unbekannten Genen aufzuklären. Forscherinnen und Forscher um Uwe Ohler vom Berlin Institute for Medical Systems Biology (BIMSB) am Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC) haben eine Filtermethode aus der Sprachsignalverarbeitung adaptiert und getestet, die Sequenzierdaten besser interpretierbar macht. „Wir können damit dem Ribosom bei der Arbeit zuschauen“, sagt Uwe Ohler. Für die Studie kooperierte das Labor von Uwe Ohler mit Kolleginnen und Kollegen aus den BIMSB-Gruppen um Markus Landthaler, Benedikt Obermayer und Matthias Selbach.

Ein neues statistisches Verfahren könnte dabei helfen, die Funktion von bisher unbekannten Genen aufzuklären. Forscherinnen und Forscher um Uwe Ohler vom Berlin Institute for Medical Systems Biology (BIMSB) am Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC) haben eine Filtermethode aus der Sprachsignalverarbeitung adaptiert und getestet, die Sequenzierdaten besser interpretierbar macht. „Wir können damit dem Ribosom bei der Arbeit zuschauen“, sagt Uwe Ohler.


Die RiboTaper-Strategie: a) Die Multitaper-Methode (Thomson, 1982) spürt in den Ribo-seq-Signalen ein 3-Nukleotid-Muster auf. Das zeigt an, dass dort eine Translation stattfindet. Die rote Linie zeigt die statistische Schwelle (p-Wert 0,5). Mit diesem Ansatz konnten bekannte und neue “Open Reading Frames” identifiziert werden (hier am Beispiel des Gens MRPS21). b) Tausende dieser Open Reading Frames wurden in kodierenden und nicht-kodierenden Gen-Regionen entdeckt. TPM steht für “transcript per million”. Abb.: AG Ohler

Uwe Ohler hat sich während seines Studiums mit Spracherkennungsprogrammen beschäftigt. Der Informatiker nutzte statistische Verfahren, um aus den durch Nebengeräusche „verrauschten“ Daten die für eine korrekte Erkennung von Wörtern relevanten Informationen herauszufiltern. Die hierfür genutzten mathematischen Methoden, zu denen beispielsweise die Fourier-Transformation gehört, sind aus der modernen Datenverarbeitung längst nicht mehr wegzudenken.

Egal, ob Astrophysiker Spektren im Licht von fernen Sternen untersuchen oder ob es um Spracherkennung in Handys geht: immer müssen „verrauschte“ Signale möglichst korrekt interpretiert werden. Jetzt wendet Ohler diese Filtermethoden auf die Molekularbiologie an.

Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen vom Berlin Institute für Medical Systems Biology (BIMSB) am MDC hat er „RiboTaper“ entwickelt und getestet. Das Programm filtert aus bestimmten Sequenzier-Daten die relevanten Informationen heraus, ob eine der zellulären Proteinfabriken – die Ribosomen – auf einer RNA tatsächlich aktiv ist.

„RiboTaper“ baut dabei auf ein Labor-Verfahren auf, das vor einigen Jahren in den USA entwickelt wurde. Es heißt Ribo-seq und dient der Identifizierung von Genen, die für ein Protein kodieren. Das ist insofern wichtig, als der Lehrsatz, dass die DNA Bauanleitungen für Proteine enthält, nicht ganz stimmt. Tausende von Genen, die in den letzten Jahren im Genom kartiert wurden, werden zwar in RNA transkribiert, aber es ist nicht bekannt, ob sie eventuell kleine, proteinkodierende Abschnitte enthalten.

Insgesamt ist nur ein kleiner Teil des Genoms dafür zuständig, Eiweiße zu produzieren. Der weit größere Anteil der DNA hat regulatorische Funktionen. Hinzu kommt: Von Zelle zu Zelle werden unterschiedliche Gene manchmal hoch- und manchmal heruntergeregelt oder stillgelegt. Wie aber findet man nun heraus, aus welchen Gene in welcher Zelle tatsächlich Protein produziert werden sind und aus welchen gerade nicht?

Dazu muss man sich die Ribosomen anschauen und die Bauanleitungen, nach denen sie arbeiten. Hier hilft Ribo-seq, denn das Verfahren aus dem „wet lab“ friert gewissermaßen die Ribosomen dort fest, wo sie am RNA-Strang sitzen. Die RNA ist die aus den Genen übermittelte Bauanleitung. Alles außer Ribosom und der damit verbundenen RNA werden mit biochemischen Werkzeugen verdaut.

Das ermöglicht den Molekularbiologen festzustellen, mit welcher Anleitung die Ribosomen gerade arbeiten. Das Problem dabei: Die Daten, die man mit Ribo-seq erhält, sind „verrauscht“. Es gibt in jeder Zelle winzige Reste von DNA, RNA und Proteinen, die natürlicherweise entstehen und abgebaut werden.

Hinzu kommt, dass man nie genau weiß, ob die Ribosomen an der identifizierten Stelle auf den RNAs auch wirklich aktiv sind und Proteine produzieren oder ob sie gewissermaßen erst auf ein weiteres Signal warten. Die „dry lab“-Methode RiboTaper soll diese Informationlücke schließen helfen. Damit können die Rollen von DNA, RNA und Ribosomen viel genauer als bisher aufgeklärt werden.

„Wir wissen beispielsweise, dass ein bestimmtes Ribosom gewöhnlich 29 RNA-Bausteine – die Nukleotide – abdeckt“, erzählt Uwe Ohler. „Und wir wissen auch, dass das Ribosom entlang der RNA immer in Abständen von 3 Nukleotiden entlang wandert.“ So entsteht ein periodisches Muster, nach dem die Bioinformatiker in all den Daten suchen können.

„Das zeigt uns dann, an welchen Stellen der RNA etwas Signifikantes passiert“, sagt Ohler. Das kann man sich vielleicht ein bisschen vorstellen, wenn man an eine Küche denkt, die ausgebrannt ist. Die Spurensicherung untersucht nun die Küche und findet Hinweise auf Mehl, Eier und Zucker sowie Rezeptseiten. Aber war der Kuchen fertig, als die Küche gebrannt hat? Oder standen nur die Zutaten für den Teig bereit? Was hatte der Koch vor zu backen? Mit Ribo-seq in Kombination mit RiboTaper kommt die molekularbiologische Spurensicherung nun dem Geheimnis der zellulären Küche ein gutes Stück näher.

Uwe Ohler erklärt: „Mit RiboTaper können wir in bislang wenig studierten Genen Jagd auf kleine Proteine machen und dazu beitragen, widersprüchliche Dateninterpretationen aufzuklären.“ Ohler sieht noch einen Vorteil: „Sequenziergeräte stehen heutzutage in vielen Labors, aber nur wenige Zentren haben auch eine gute Massenspektrometrie zur Hand. Mit RiboTaper können wir aus den Sequenzierdaten Schlüsse ziehen, was gerade translatiert wird.“

Um das neue Verfahren zu testen, hat Ohler die Probe aufs Exempel gemacht und bei seinem MDC-Kollegen Matthias Selbach die RiboTaper-Daten mittels Massenspektrometrie überprüfen lassen. Nachdem es bereits eine ganze Reihe von Gruppen am MDC gibt, die Ribo-seq nutzen, dürfte es spannend sein, wie RiboTaper ihnen bei der Interpretation zu helfen vermag.

Für die Studie kooperierte das Labor von Uwe Ohler mit Kolleginnen und Kollegen aus den BIMSB-Gruppen um Markus Landthaler, Benedikt Obermayer und Matthias Selbach.

Ansprechpartner für Medien:
Josef Zens
presse@mdc-berlin.de
+49-30-9406-2118

Weitere Informationen:

http://www.nature.com/nmeth/journal/vaop/ncurrent/full/nmeth.3688.html (Link zur Studie)
https://insights.mdc-berlin.de/de/2015/12/dem-ribosom-bei-der-arbeit-zuschauen/ (Link zum selben Text mit wissenschaftlicher Abbildung)
https://insights.mdc-berlin.de/en/2015/12/watching-the-ribosome-at-work/ (Übersetzung der Pressemitteilung)

Josef Zens | Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wegbereiter für Vitamin A in Reis
21.07.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Pharmakologie - Im Strom der Bläschen
21.07.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

Den Nachhaltigkeitskreis schließen: Lebensmittelschutz durch biobasierte Materialien

21.07.2017 | Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblicke unter die Oberfläche des Mars

21.07.2017 | Geowissenschaften

Wegbereiter für Vitamin A in Reis

21.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten