Zusatzfunktionen von Boten-RNAs entdeckt

Pressemitteilung des Forschungscampus Mittelhessen
13. August 2018

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Jena und Gießen haben per Computersimulation eine Entdeckung gemacht, die in den Zellen praktisch aller Lebewesen eine Rolle spielt: Sie stellten fest, dass die räumliche Struktur der Boten-Ribonukleinsäuren (engl. messenger RNA, kurz mRNAs) Einfluss auf die Funktion dieser für die Vervielfältigung von Zellen wichtigen Moleküle nimmt. Ihre Ergebnisse haben sie in der renommierten Fachzeitschrift „Bioinformatics“ veröffentlicht. Die in Gießen angesiedelten Arbeiten sind Teil des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereichs SFB 1021 der Universitäten Gießen und Marburg zu RNA-Viren.

Über mRNAs wird die genetische Information aus dem Erbgut der Zellen (DNA) in Proteine übersetzt und so für die Zelle nutzbar gemacht. Die Reihenfolge der DNA-„Buchstaben“ (chemisch Basen) in den Boten-RNAs bestimmt die Reihenfolge der Aminosäuren in den Proteinen. Dabei codieren jeweils drei aufeinanderfolgende Basen, Codon genannt, für einen Aminosäure-Baustein des Proteins. Zum Beispiel codiert die Basenfolge G-A-G für die Aminosäure Glutamat und C-G-U für die Aminosäure Arginin. Die aus den Aminosäuren gebildeten Proteine sind dann die eigentlichen Funktionsträger der Zelle.

Allerdings können die Basen der mRNAs auch untereinander wechselwirken. Dabei können zum Beispiel die Basen A und U miteinander paaren oder G mit C. Über die ursprünglich lineare Abfolge ihrer Basen (die Primärsequenz) hinaus kann die mRNA durch solche Basen-Paarungen dann auf einer übergeordneten räumlichen Ebene die RNA-Sekundärstrukturen bilden. Dies warf die Frage auf, ob solche RNA-Sekundärstrukturen nur rein zufällig gebildet werden oder ob sie selbst auch Funktionen haben.
 
Die Arbeitsgruppe um die Bioinformatikerin Prof. Dr. Manja Marz an der Friedrich-Schiller-Universität Jena hat in Zusammenarbeit mit Apl. Prof. Dr. Michael Niepmann vom Biochemischen Institut der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) die Häufigkeit von bestimmten Basen-Paarungen in allen theoretisch möglichen RNA-Sekundärstrukturen in den mRNAs aller Lebewesen gezählt. „Wir stellten fest, dass diejenigen Basen-Paare tendenziell vermieden werden, bei denen der erste Buchstabe eines Codons mit dem ersten Buchstaben eines anderen Codons paaren müsste“, sagt Prof. Dr. Manja Marz. Die Forschenden nehmen daher an, dass die theoretisch möglichen RNA-Sekundärstrukturen in der Natur nicht nur tatsächlich gebildet werden, sondern auch Funktionen haben müssen und deswegen einem Selektionsdruck unterliegen.

Vermutlich sind die Codon-Sequenzen und die mRNA-Sekundärstrukturen im Rahmen einer Co-Evolution entstanden. Denn die an einer möglichen Basen-Paarung beteiligten Basen sind in ihrer Funktion zur Codierung der Aminosäuren wichtig und können nicht einfach geändert werden, nur um Basen-Paarungen in RNA-Sekundärstrukturen zu erlauben. Weiterhin schließen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Ergebnissen, dass der erste Buchstabe der Codons am wichtigsten ist für die Codierung der Aminosäuren – nicht wie bisher oft angenommen der zweite Buchstabe.

Welche Funktionen die mRNA-Sekundärstrukturen haben, ist noch nicht bekannt. „Vorstellbar sind eine allgemeine Stabilisierung der mRNAs oder spezielle Aufgaben bei der Regulation ihrer Aktivität“, so Apl. Prof. Dr. Michael Niepmann. „Wir arbeiten nun daran, weitere Erkenntnisse über die möglichen Funktionen solcher RNA-Sekundärstrukturen zu gewinnen.“

Publikation
Markus Fricke, Ruman Gerst, Bashar Ibrahim, Michael Niepmann, Manja Marz: Global importance of RNA secondary structures in protein coding sequences. Bioinformatics, online veröffentlicht am 7. August 2018
https://academic.oup.com/bioinformatics/advance-article/doi/10.1093/bioinformatics/bty678/5067859
DOI: 10.1093/bioinformatics/bty678

Kontakt

Prof. Dr. Manja Marz
RNA-Bioinformatik und Hochdurchsatz-Analysen
Fakultät für Mathematik und Informatik
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Leutragraben 1, 07743 Jena
Telefon:  03641 946480

Apl. Prof. Dr. Michael Niepmann
Biochemisches Institut
Justus-Liebig-Universität Gießen
Friedrichstraße 24, 35392 Gießen
Telefon: 0641 9947471

• Weitere Informationen:

www.fcmh.de
www.fcmh.de/infekt – Webseite des Campus-Profilbereichs Infektions- und Entzündungsforschung

Der Forschungscampus Mittelhessen ist eine hochschulübergreifende Einrichtung nach §47 des Hessischen Hochschulgesetzes der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU), der Philipps-Universität Marburg (UMR) und der Technischen Hochschule Mittelhessen (THM) zur Stärkung der regionalen Verbundbildung in der Forschung, Nachwuchsförderung und Forschungsinfrastruktur.
Der FCMH fördert Netzwerke, gemeinsame Forschungsprojekte, unterstützt den Transfer des Wissens in die Gesellschaft und schafft durch den Aufbau zukunftsweisender Kooperationsstrukturen Synergien zwischen den Hochschulen. Das Ziel ist, gemeinsam noch erfolgreicher in der internationalen Spitzenforschung und der exzellenten Nachwuchsförderung zu sein.
Die Entwicklung neuer diagnostischer und therapeutischer Verfahren ist das zentrale Ziel der gemeinsamen Forschungsaktivitäten der Forschenden im Campus-Profilbereich „Infektions- und Entzündungsforschung“.