Tausende Gene durch RNA-Modifikation beeinflusst

Eine neue Entdeckung von Forschern des Weill Cornell Medical College, die in der Ausgabe vom 17. Mai veröffentlicht wurde Zelle schreibt wieder wissenschaftliche Lehrbücher um. Erst vor zehn Jahren mussten epigenetische Forscher den lang gehegten Glauben aufgeben, dass DNA aus nur vier Basen besteht, als sie entdeckten, dass chemisch modifizierte Basen tatsächlich reichlich Bestandteile des menschlichen Genoms sind.
Die neue Entdeckung, die mit RNA in Verbindung steht, ähnelt der DNA beim Tragen genetischer Informationen und ihrer Expressionsmethode, aber die Forscher haben nun eine neue Basenmodifikation in RNA identifiziert, die unser Verständnis der Genexpression revolutionieren wird.
Lange Zeit wurde angenommen, dass Boten-RNA (mRNA) einfache Blaupausen für die Proteinproduktion sind, die oft chemisch durch Hinzufügen einer Methylgruppe zu ihrer Adeninbase verändert wurden. Die Forscher entdeckten, dass im Gegensatz zu ihrer Überzeugung, dass mRNA nur vier Nukleobasen enthält; es enthält tatsächlich eine fünfte Base, nämlich das N6-Methyladenosin (m6A), das das Transkriptom durchdringt. Sie fanden heraus, dass bis zu 20% der menschlichen mRNA routinemäßig methyliert sind, was bedeutet, dass diese Modifikation mit mehr als 5.000 verschiedenen m6A-haltigen mRNA-Molekülen einen weit verbreiteten Einfluss auf die Genexpression haben wird.
Die leitende Forscherin Dr. Samie R. Jaffrey, außerordentliche Professorin für Pharmakologie am Weill Cornell Medical College, erklärt:

"Dieser Befund schreibt grundlegende Konzepte der Zusammensetzung von mRNA um, denn niemand dachte seit 50 Jahren, dass mRNA interne Modifikationen enthält, die die Funktion steuern. Wir wissen, dass DNA und Proteine ??routinemäßig durch chemische Schalter verändert werden, die tiefgreifende Auswirkungen auf ihre Funktion haben Aber Biologen glauben, dass mRNA einfach ein Zwischenprodukt zwischen DNA und Protein ist. Jetzt wissen wir, dass mRNA viel komplexer ist und Defekte in der RNA-Methylierung zu einer Krankheit führen können. "

Ein Teil ihrer Studie zeigte, dass das Adipositas-Risiko-Gen FTO, bekannt als Fettmasse und Adipositas-assoziiertes Protein, ein Enzym kodiert, das in der Lage ist, diese Modifikation umzukehren, indem m6A-Reste in mRNA wieder in reguläres Adenosin umgewandelt werden. Die Forscher entdeckten die Verbindung, dass Fettleibigkeit mit überaktiven FTO-Enzymen in Menschen mit FTO-Mutationen assoziiert ist. Die überaktive FTO führt zu niedrigen m6A-Spiegeln, was zu Anomalien bei der Nahrungsaufnahme und dem Stoffwechsel führt, die schließlich zu Fettleibigkeit führen. Darüber hinaus entdeckte das Team auch Verbindungen zwischen m6A und anderen Krankheiten.
Dr. Kate Meyer, eine Postdoktorandin in Dr. Jaffreys Labor, die die Studie leitete, sagt:

"Wir fanden heraus, dass m6A in vielen mRNAs vorhanden ist, die von Genen kodiert werden, die mit menschlichen Krankheiten in Verbindung stehen, darunter Krebs und verschiedene Hirnerkrankungen wie Autismus, Alzheimer und Schizophrenie. Methylierung in RNA ist eine reversible Modifikation, die anscheinend zentral ist Schritt in einer Vielzahl von biologischen Wegen und physiologischen Prozessen. "

Laut Dr. Jaffrey wurde m6A 1975 zum ersten Mal in mRNA nachgewiesen, doch damals waren die Wissenschaftler unsicher, ob dieser Befund auf eine Kontamination durch andere RNA-Moleküle zurückzuführen war. Mehr als 90% der RNAs sind zelluläre "Arbeitspferde", die häufig modifiziert werden und entweder aus Transfer-RNA (tRNA) oder ribosomaler RNA (rRNA) bestehen. Dr. Jaffrey stellte die Hypothese auf, dass mRNA modifiziert werden könnte, basierend auf der Tatsache, dass DNA, Proteine ??und andere Formen von RNA modifiziert sind. Zusammen mit seinem Team entwickelte er eine Technik, mit der sich die Methylierung von mRNA und menschlichen Proben nachweisen lässt.
Um die m6A enthaltenden mRNAs zu isolieren, verwendete das Team zwei verschiedene Antikörper, die in der Lage sind, die mRNAs m6A zu identifizieren und zu binden. Sie waren in der Lage, die Sequenz jeder einzelnen mRNA, die sie isoliert hatten, zu identifizieren, indem sie sie einer Sequenzierung der nächsten Generation unterzogen, und Dr. Christopher Mason und Dr. Olivier Elemento entwickelten daraufhin einen Rechenalgorithmus, der die Identität jeder dieser methylierten mRNAs aufdeckte.
Obwohl das Team die Dynamik der Tausenden von m6As beim Menschen im Hinblick auf die Kontrolle der mRNA-Funktion nicht kennt, haben sie beobachtet, dass die m6As in der Nähe von "Stopp-Codons" in mRNA-Sequenzen lokalisiert sind das Ende der Translation der mRNA, was anzeigt, dass m6A eine Rolle bei der ribosomalen Funktion spielen könnte.
Co-Autor der Studie, Dr. Christopher Mason, Assistant Professor von der Abteilung für Physiologie und Biophysik und Computational Genomics in Computational Biomedizin des Weill College sagt:

"Aber wir wissen es wirklich noch nicht. Es kann anderen Proteinen erlauben, an mRNA zu binden oder diese mRNAs einem völlig neuen regulatorischen Weg zu unterwerfen. Unsere bioinformatischen Analysen liefern mehrere Hinweise über die möglichen Auswirkungen von Methylierung auf die RNA-Funktion."

Die Forscher stellten bereits fest, dass m6A-Stellen häufig in mRNA-Regionen vorkommen, die bei mehreren Wirbeltierarten hoch konserviert sind.
Dr. Mason erklärt:

"Dies zeigt, dass m6A-Stellen nicht nur für den Menschen wichtig sind, sondern über Hunderte von Millionen von Jahren der Evolution unter Selektion gehalten werden und somit für alle Tiere von entscheidender Bedeutung sind. Dies ist der erste Nachweis einer epitanskopischen Modifikation - Veränderungen in der RNA-Funktion, die nicht auf Veränderungen in der zugrunde liegenden Sequenz zurückzuführen sind. "

Dr. Jaffrey fügt hinzu:

"Diese Ergebnisse sind sehr, sehr aufregend und erstaunlich, wenn man bedenkt, dass mRNA schon so lange existiert und niemand in dieser Zeit erkannt hat, dass sie auf diese Weise reguliert wurden. Es lag direkt vor unserer Nase . "

Die Forscher untersuchen derzeit die Dynamik des m6As-Kontrollmechanismus von mRNAs in Zellen und konzentrieren ihre Anstrengungen auf die Identifizierung der Enzyme und Signalwege, die die mRNA-Methylierung regulieren.Sie haben bereits gezeigt, dass FTO die Fähigkeit hat, Adenosin-Methylierung umzukehren, was darauf hindeutet, dass es einen großen Prozentsatz zellulärer mRNA beeinflusst.
Dr. Meyer kommentiert:

"FTO-Mutationen werden weltweit bei einer Milliarde Menschen beobachtet und sind eine der Hauptursachen für Adipositas und Typ-2-Diabetes. Unsere Studien verknüpfen m6A-Spiegel in mRNA mit diesen wichtigen Gesundheitsproblemen und identifizieren zum ersten Mal die mRNAs, auf die FTO möglicherweise zielt . "

Gegenwärtig konzentrieren sich die Forscher darauf, einen besseren Einblick in die Ursachen von Fettleibigkeit und Stoffwechselstörungen zu erhalten, indem sie den Einfluss einer defekten m6A-Regulation bei Patienten mit FTO-Mutationen untersuchen. Sie entwickeln derzeit auch Tests, die es Wissenschaftlern ermöglichen, die Verbindungen, die überaktive FTO-Aktivität beim Menschen blockieren, schnell zu entdecken, was zu neuen Behandlungen für übergewichtige Personen und solche mit Diabetes führen könnte.
Geschrieben von Petra Rattue