Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Methode: Forschern gelingt es, wichtige RNA-Modifikation direkt zu markieren und aufzuspüren

30.04.2018

Forscher des Exzellenzclusters "Cells in Motion" der Universität Münster haben einen neuen Ansatz entwickelt, mit dem sie wichtige Modifikationen an der Boten-RNA verorten können. Dabei arbeiteten Biochemiker und Molekularbiologen interdisziplinär zusammen. Die Studie ist in der Fachzeitschrift "Angewandte Chemie" (International Edition) erschienen.

Was passiert in einer Zelle, wenn genetische Information in Proteine übersetzt wird? Um diesen Vorgang zu untersuchen, sehen sich Forscher insbesondere ein Biomolekül in der Zelle genauer an: die Boten-Ribonukleinsäure, kurz mRNA. Sie ist für alle Prozesse der Zelle von hoher Bedeutung – und stellt das gemeinsame Forschungsinteresse der Biochemiker um Prof. Dr. Andrea Rentmeister und der Molekularbiologen um Dr. Sebastian Leidel vom Exzellenzcluster „Cells in Motion“ der Universität Münster dar.


Die Hauptautoren der Studie (v.l.): Molekularbiologe Dr. Sebastian Leidel, Biochemikerin Katja Hartstock (Erstautorin), Molekularbiologe Benedikt Nilges und Biochemikerin Prof. Andrea Rentmeister

© WWU/E. Wibberg

In einer interdisziplinären Zusammenarbeit ist es den Wissenschaftlern nun erstmals gelungen, eine wichtige Veränderung der Boten-RNA, die sogenannte m6A-Modifikation, mithilfe von Enzymen chemisch zu markieren und im Anschluss mit modernen molekularbiologischen Verfahren präzise aufzuspüren.

„Mit dem neuen Verfahren können wir Modifikationen an der mRNA genauer verorten und messen als je zuvor“, sagt Andrea Rentmeister, Professorin am Exzellenzcluster und Leiterin der Studie. Zu wissen, wo und in welchem Ausmaß m6A-Modifikationen vorkommen, kann Forschern später dabei helfen, deren Rolle bei physiologischen und krankhaften Prozessen genauer zu untersuchen. Die Studie ist in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ erschienen.

Die Geschichte im Detail:

Die genetische Information der DNA wird in einem Prozess, der sogenannten Transkription, in Boten-RNA umgeschrieben. Die so entstandene Boten-RNA oder mRNA – aus dem Englischen messenger RNA – transportiert im Anschluss an die Transkription die genetischen Informationen aus dem Zellkern ins Zellplasma. Dort dient sie als Anleitung zur Proteinherstellung. Proteine wiederum sind die Arbeiter der Zelle und erfüllen alle zellulären Aufgaben.

Wie die doppelsträngige DNA besteht auch die einzelsträngige RNA aus einer Kette sogenannter Nukleotide. An der mRNA gibt es zusätzlich aber auch viele chemische Veränderungen dieser Nukleotide, die RNA-Modifikationen. Sie entstehen, nachdem die genetischen Informationen abgelesen worden sind. Dabei hängen sich einfache Atomanordnungen, die Methylgruppen, an die Nukleotide.

„Eine im Moment heiß diskutierte Modifikation ist das N6-Methyladenosin, kurz m6A genannt“, sagt Andrea Rentmeister. Von großem Interesse ist diese Modifikation deshalb, weil sie für eine Reihe von biologischen Vorgängen von Bedeutung zu sein scheint, zum Beispiel für die innere Uhr. Aber auch bei krankhaften Prozessen spielt sie eine Rolle, zum Beispiel bei einigen Krebserkrankungen oder Virusinfektionen.

Biochemiker markierten die RNA-Modifikation

Um die Rolle der m6A besser zu verstehen, wollen die Wissenschaftler wissen: An welchen Stellen der mRNA sitzt die Modifikation genau? Um das herauszufinden, müssen sie diese markieren. Häufig nutzen Biologen hierzu Antikörper, die sich an das zu untersuchende Molekül heften.

Dieses Vorgehen hat aber Grenzen, da sich die Antikörper nicht nur an die gesuchten Modifikationen der mRNA, sondern auch an benachbarte Nukleotide heften können. Das macht es schwierig, die Modifikationen genau zu verorten. „Wir wollten die Markierung nun von der chemischen Seite her angehen“, erklärt Andrea Rentmeister. Daher nutzten sie und ihr Team dafür erstmals Propargylgruppen, einen etwas längeren Kohlenwasserstoffrest.

Die Wissenschaftler koppelten die Propargylgruppen an das Cosubstrat – das „Hilfsmolekül" – eines Enzyms und brachten alle drei Komponenten im Reagenzglas mit mRNA-Molekülen zusammen. Dabei ist die Propargylgruppe in ihrer chemischen Struktur ähnlich einem natürlichen Molekül, das von einer Methyltransferase gebunden wird – Methyltransferasen wiederum sind Enzyme und für die Modifikation der mRNA verantwortlich. So konnten die Methyltransferasen die Propargylgruppe auf die RNA übertragen. Mithilfe der sogenannten Klick-Chemie veranlassten die Wissenschaftler, dass die RNA mit Propargylgruppen isoliert und gereinigt werden konnte.

Molekularbiologen spürten die Modifikation auf

Um im nächsten Schritt die so markierte Modifikation aufzuspüren, machten sich die Forscher die Möglichkeit zunutze, mRNA mit einem speziellen Enzym wieder zurück in DNA zu übersetzen. Der dabei entstehende DNA-Strang stellt eine Kopie der vorherigen RNA dar und kann mit molekularbiologischen Verfahren untersucht werden.

Die Molekularbiologen um Sebastian Leidel, Gruppenleiter am Exzellenzcluster „Cells in Motion“ und am Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin in Münster, sequenzierten diesen neu synthetisierten DNA-Strang, lasen also die Nukleotidabfolgen. Dabei wendeten die Wissenschaftler ein Verfahren des „Next Generation Sequencing“ an, womit sie die Nukleotidabfolgen besonders effizient bestimmen konnten. „Mit diesem Verfahren können wir Tausende von Sequenzen parallel analysieren“, sagt Sebastian Leidel.

Der Clou: Dadurch, dass die Biochemiker die Modifikation zuvor mit den Propargylgruppen markiert hatten, konnten die für das Umschreiben der RNA nötigen Enzyme die RNA nicht zurück in DNA transkribieren. „Sie stellten ihre Aktivität an den markierten Stellen ein, und es entstand eine Art Stopp-Signal“, erklärt Chemikerin Katja Hartstock, Erstautorin der Studie. Diese Stopp-Signale konnten die Forscher während der Sequenzierung erkennen und damit die Stellen, an denen die mRNA-Modifikation auftritt, aufspüren.

Nach den anfänglichen Versuchen im Reagenzglas wandten die Wissenschaftler ihre neue Methode in einer Kultur von menschlichen Epithelzellen, den HeLa-Zellen, an. Die Wissenschaftler fütterten die Zellen mit einem Propargyl-markierten sogenannten Aminosäurevorläufer, den die Zellen „fraßen“ und daraufhin die Markierung in Gang brachten. Wie schon im Reagenzglas festgestellt, banden sich die Propargylgruppen mithilfe der Methyltransferasen an die RNA und machten es auch hier möglich, mit einem „Next Generation Sequencing“ die gesuchte RNA-Modifikation aufzuspüren.

In einem nächsten Schritt wollen die Forscher ihre Methode in lebenden Organismen anwenden, um die Bedeutung der Modifikation innerhalb der Entwicklung zu untersuchen. Zebrafische eignen sich gut dafür, da sie sich sehr schnell entwickeln und die Modifikationen somit schneller transkribiert, aber auch schneller wieder abgebaut werden.

Förderung:

Der Exzellenzcluster „Cells in Motion“ der Universität Münster förderte die Studie im Rahmen eines interdisziplinären Forschungsprojekts. Darüber hinaus erhielt die Studie finanzielle Unterstützung durch das DFG-geförderte Schwerpunktprogramm 1784 „Chemical Biology of native Nucleic Acid Modifications“.

Originalpublikation:

Hartstock K, Nilges B, Ovcharenko A, Cornelissen N, Puellen N, Leidel S, Rentmeister A. Enzymatic or in vivo installation of propargyl groups in combination with click chemistry enables enrichment and detection of methyltransferase target sites in RNA. Angew Chem Int Ed Engl 2018; DOI 10.1002/anie.201800188.

Weitere Informationen:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201803995 Originalpublikation online (Abstract/Cover-Bild)
https://www.uni-muenster.de/Cells-in-Motion/de/people/all/rentmeister-a.php Prof. Dr. Andrea Rentmeister
https://www.uni-muenster.de/Cells-in-Motion/de/people/all/leidel-s.php Dr. Sebastian Leidel
https://www.uni-muenster.de/Cells-in-Motion/de/research/projects/flexible-funds/... CiM-Flexible-Funds-Projekte im Überblick

Svenja Ronge | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Interdisziplinäre Forschung:

nachricht Untersuchung der Zellmembran: Forscher entwickeln Stoff, der wichtigen Membranbestandteil nachahmt
25.05.2018 | Westfälische Wilhelms-Universität Münster

nachricht Nanopartikel aus Kläranlagen - vorläufige Entwarnung
02.05.2018 | Universität Siegen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Interdisziplinäre Forschung >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Future electronic components to be printed like newspapers

A new manufacturing technique uses a process similar to newspaper printing to form smoother and more flexible metals for making ultrafast electronic devices.

The low-cost process, developed by Purdue University researchers, combines tools already used in industry for manufacturing metals on a large scale, but uses...

Im Focus: Rostocker Forscher entwickeln autonom fahrende Kräne

Industriepartner kommen aus sechs Ländern

Autonom fahrende, intelligente Kräne und Hebezeuge – dieser Ingenieurs-Traum könnte in den nächsten drei Jahren zur Wirklichkeit werden. Forscher aus dem...

Im Focus: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Stadtklima verbessern, Energiemix optimieren, sauberes Trinkwasser bereitstellen

19.07.2018 | Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neue Anwendungen für Mikrolaser in der Quanten-Nanophotonik

20.07.2018 | Physik Astronomie

Need for speed: Warum Malaria-Parasiten schneller sind als die menschlichen Abwehrzellen

20.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Die Gene sind nicht schuld

20.07.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics