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Transposons, Viren und RNA-Interferenz

Transposons, Viren und RNA-Interferenz


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Mein Lehrbuch sagt, dass sich in RNAi eine komplementäre doppelsträngige RNA-Sequenz an eine mRNA anlagert und diese mithilfe einer Proteinmaschinerie zum Schweigen bringt. Ich habe gegoogelt und darüber gelesen, damit ich jetzt weiß, was siRNA und RISC und microRNA sind. Aber das nächste, was mein Buch sagt, ist

die Quelle dieser komplementären doppelsträngigen RNA-Sequenzen [offensichtlich bedeutet mein Lehrbuch siRNA] können Viren und transponierbare Elemente sein.”

Was bedeutet das? Bilden Transposons siRNA? Ich dachte, Transposons wären nicht kodierend, außer wenn sie über den Retrotransposon-Mechanismus reisen.

Spenden Viren, die eukaryontische Zellen infizieren, ihr eigenes genetisches RNA-Material für die Zelle zur Verwendung in RNAi? Aber ich dachte, RNAi sei eine zelluläre Abwehr gegen Viren, wie können Viren dabei helfen, die dsRNA zu erzeugen, die die Viren bekämpfen soll? Eine Reihe von Online-Sites geben einfach an, dass siRNA exogen ist. meinen sie, dass es von Viren kommt?

Ich würde es sehr schätzen, wenn sich jemand die Zeit nehmen könnte, jede meiner Fragen einzeln zu beantworten oder sogar eine Website zu empfehlen, die alle beantwortet.


Transposons und Viren "machen keine siRNA". Eine Endonuklease namens Dicer kann jedoch dsRNA aus diesen Quellen verarbeiten, um siRNA zu produzieren, die dann in den RNA-induzierten Silencing-Komplex (RISC) geladen wird, um die Ausbreitung von Viren und Transposons zu unterdrücken. Einen guten Überblick bieten die folgenden Papiere:

Buchon N, Vaury C. 2006. RNAi: ein defensives RNA-Silencing gegen Viren und transponierbare Elemente. Vererbung 96:195-202.

van Rij RP, Andino R. 2006. Die stille Behandlung: RNAi als Abwehr gegen Virusinfektionen bei Säugetieren. Trends Biotechnologie 24:186-193.


Kleine störende RNA

Da siRNAs unter den bekannten eukaryotischen kleinen RNAs am weitesten verbreitet sind ( 1 ), könnte ein siRNA-ähnliches System der Urtyp der RNA-basierten Regulation in Eukaryoten sein (Shabalina und Koonin, 2008). Diese Hypothese wird durch gemeinsame Merkmale zwischen siRNAs und miRNAs sowie zwischen siRNAs und einigen anderen Merkmalen mit piRNAs gestützt. Zum Beispiel assoziieren sowohl siRNAs als auch miRNAs mit Dicer und Argonaute, während einige siRNAs und piRNAs Funktionen teilen, um Transposons zu unterdrücken, wie in späteren Abschnitten erwähnt.

Um die Diversifizierung von siRNAs nach ihrer Entstehung zu verstehen, betrachten wir Exo- und Endo-siRNAs getrennt. Ancestral siRNAs waren wahrscheinlich Exo-siRNAs, die von Viren und anderen parasitären RNAs abgeleitet wurden, und dass die erste siRNA-Maschinerie in frühen Eukaryoten etabliert wurde, um diese „genomischen Raubtiere“ zu bekämpfen begann sich zu diversifizieren. Endo-siRNAs, die aus Transposons und heterochromatischen Sequenzen generiert werden, sind offenbar an der Stummschaltung von Transposons und repetitiven Elementen beteiligt, während solche aus Pseudogenen wahrscheinlich ihre funktionellen Homologen regulieren. In einigen Fällen werden endo-siRNAs sogar aus mRNAs hergestellt. Da eine Untergruppe dieser endo-siRNAs lange Haarnadeln bilden kann, könnten sie der Urzustand von miRNAs sein (gestrichelter Pfeil in Abbildung 1).


Ein vereinfachtes Modell für den RNAi-Weg

Ein vereinfachtes Modell für den RNAi-Weg basiert auf zwei Schritten, die jeweils das Ribonuklease-Enzym beinhalten. Im ersten Schritt wird die Trigger-RNA (entweder dsRNA oder miRNA-Primärtranskript) von den RNase-II-Enzymen Dicer und Drosha zu einer kurzen, interferierenden RNA (siRNA) verarbeitet. Im zweiten Schritt werden siRNAs in den Effektorkomplex RNA-induzierter Silencing Complex (RISC) geladen. Die siRNA wird während der RISC-Assemblierung abgewickelt und die einzelsträngige RNA hybridisiert mit dem mRNA-Target. Gen-Silencing ist das Ergebnis des nukleolytischen Abbaus der Ziel-mRNA durch das RNase-H-Enzym Argonaute (Slicer). Wenn der siRNA/mRNA-Duplex Fehlpaarungen enthält, wird die mRNA nicht gespalten. Gen-Silencing ist vielmehr das Ergebnis einer translationalen Hemmung.


Hypothese zur Entstehung von Viren aus Transposons

In dieser Übersicht wird die Rolle von Transposons bei der Entstehung von Viren betrachtet, die aufgrund ihrer hohen Mutabilität die Merkmale ihrer evolutionären Vorläufer verlieren. Es gibt jedoch eine Reihe gemeinsamer Eigenschaften von Viren und Transposons, die auf ihre phylogenetische Verwandtschaft hindeuten, darunter die Fähigkeit zur Integration in das Wirtsgenom, spezifische Aktivierung in bestimmten Geweben, hohe Mutabilität, die Existenz von Virophagen, die sich nur in Gegenwart eines anderen vermehren Virus (das den nicht-autonomen Transposons ähnelt, für die die Expressionsprodukte von autonomen benötigt werden). Ideen zur Entstehung von Viren aus Transposons in der Evolution werden diskutiert. Die genomischen Elemente, die eine duale Existenz als mobile genetische Elemente und Viren aufweisen, werden gefunden: Polintons, Tlr-Elemente und PLV-Viren. Es wird angenommen, dass ein horizontaler Transfer (HT) von Transposons, bei dessen natürlicher Selektion die Elemente mit den Virulenzeigenschaften erhalten bleiben (während die für die Integration benötigten Gene mutieren können), ein Schlüsselereignis ist, um zu Viren zu werden. Der bei allen Vertretern lebender Organismen übliche horizontale Transposon-Transfer geht einher mit deren Variabilität, die für den Erwerb neuer adaptiver Merkmale erforderlich ist. Im Laufe der Evolution wurden die Mechanismen des Schutzes gegen Viren und Transposons, einschließlich RNA-Interferenz, DNA-Methylierung und Histon-Modifikation, verwendet, um die Funktion der Genome zu kontrollieren, wodurch interzelluläre Interaktionen ermöglicht wurden, was die Entstehung vielzelliger Organismen erklärt. In der Evolution von Eukaryoten wurden die Transposons erfolgreich für die Transformation regulatorischer Gennetzwerke sowie als mögliche Quellen für neue Gene verwendet, die sowohl für Proteine ​​als auch für nicht-kodierende RNA kodieren, deren fragmentarische Translation kurze funktionelle Peptide erzeugen kann. Somit sind die Produkte der Transposontranskription und -translation die wichtigsten Quellen evolutionärer Transformationen. Diese Mechanismen könnten die Grundlage für die Evolution von Viren und die Entstehung der grundlegenden Eigenschaften lebender Organismen sein, wenn sie erscheinen.


Zusammenfassung der RNA-Interferenz

Einführung

Die diesjährigen Nobelpreisträger haben einen grundlegenden Mechanismus zur Kontrolle des Flusses genetischer Informationen entdeckt. Unser Genom funktioniert, indem es Anweisungen zur Herstellung von Proteinen aus der DNA im Zellkern an die Proteinsynthesemaschinerie im Zytoplasma sendet. Diese Anweisungen werden durch Boten-RNA (mRNA) übermittelt. 1998 veröffentlichten die amerikanischen Wissenschaftler Andrew Fire und Craig Mello ihre Entdeckung eines Mechanismus, der mRNA eines bestimmten Gens abbauen kann. Dieser Mechanismus, die RNA-Interferenz, wird aktiviert, wenn RNA-Moleküle als doppelsträngige Paare in der Zelle vorkommen. Doppelsträngige RNA aktiviert eine biochemische Maschinerie, die diejenigen mRNA-Moleküle abbaut, die einen genetischen Code tragen, der mit dem der doppelsträngigen RNA identisch ist. Wenn solche mRNA-Moleküle verschwinden, wird das entsprechende Gen stummgeschaltet und es wird kein Protein des kodierten Typs hergestellt.

RNA-Interferenz tritt bei Pflanzen, Tieren und Menschen auf. Es ist von großer Bedeutung für die Regulation der Genexpression, beteiligt sich an der Abwehr von Virusinfektionen und hält springende Gene unter Kontrolle. RNA-Interferenz wird in der Grundlagenforschung bereits weit verbreitet als Methode zur Untersuchung der Funktion von Genen eingesetzt und könnte in Zukunft zu neuartigen Therapien führen.

Der Informationsfluss in der Zelle: von der DNA über die mRNA zum Protein

Der genetische Code in der DNA bestimmt, wie Proteine ​​aufgebaut sind. Die in der DNA enthaltenen Anweisungen werden auf mRNA kopiert und anschließend zur Synthese von Proteinen verwendet (Abb. 1). Dieser Fluss der genetischen Information von der DNA über die mRNA zum Protein wurde vom britischen Nobelpreisträger Francis Crick als das zentrale Dogma der Molekularbiologie bezeichnet. Proteine ​​sind an allen Prozessen des Lebens beteiligt, zum Beispiel als Enzyme, die unsere Nahrung verdauen, als Rezeptoren, die Signale im Gehirn empfangen oder als Antikörper, die uns gegen Bakterien verteidigen.

Unser Genom besteht aus etwa 30.000 Genen. In jeder Zelle wird jedoch nur ein Bruchteil davon verwendet. Welche Gene exprimiert werden (d. h. die Synthese neuer Proteine ​​steuern) wird durch die Maschinerie gesteuert, die DNA in mRNA in einem Prozess namens Transkription kopiert. Es kann wiederum durch verschiedene Faktoren moduliert werden. Die Grundprinzipien für die Regulation der Genexpression wurden vor mehr als 40 Jahren von den französischen Nobelpreisträgern François Jacob und Jacques Monod identifiziert. Heute wissen wir, dass ähnliche Prinzipien während der gesamten Evolution funktionieren, von Bakterien bis hin zu Menschen. Sie bilden auch die Grundlage für die Gentechnologie, bei der eine DNA-Sequenz in eine Zelle eingebracht wird, um neues Protein herzustellen.

Um 1990 kamen Molekularbiologen zu einer Reihe unerwarteter Ergebnisse, die schwer zu erklären waren. Die auffälligsten Effekte wurden von Pflanzenbiologen beobachtet, die versuchten, die Farbintensität der Blütenblätter in Petunien zu erhöhen, indem sie ein Gen einführten, das die Bildung von rotem Pigment in die Blüten induziert. Aber anstatt die Farbe zu intensivieren, führte diese Behandlung zu einem vollständigen Farbverlust und die Blütenblätter wurden weiß! Der Mechanismus, der diese Effekte verursacht, blieb rätselhaft, bis Fire und Mello die Entdeckung machten, für die sie den diesjährigen Nobelpreis erhalten.

Die Entdeckung der RNA-Interferenz

Andrew Fire und Craig Mello untersuchten, wie die Genexpression im Fadenwurm Caenorhabditis elegans reguliert wird (Abb. 2). Die Injektion von mRNA-Molekülen, die für ein Muskelprotein kodieren, führte zu keiner Änderung des Verhaltens der Würmer. Der genetische Code in der mRNA wird als ‘sense’-Sequenz beschrieben, und die Injektion von ‘antisense’-RNA, die sich mit der mRNA paaren kann, hatte ebenfalls keine Wirkung. Aber als Fire und Mello Sense- und Antisense-RNA zusammen injizierten, beobachteten sie, dass die Würmer eigenartige, zuckende Bewegungen zeigten. Ähnliche Bewegungen wurden bei Würmern beobachtet, denen ein funktionierendes Gen für das Muskelprotein völlig fehlte. Was passiert ist?

Treffen sich Sense- und Antisense-RNA-Moleküle, binden sie sich aneinander und bilden doppelsträngige RNA. Könnte es sein, dass ein solches doppelsträngiges RNA-Molekül das Gen zum Schweigen bringt, das denselben Code wie diese spezielle RNA trägt? Fire und Mello testeten diese Hypothese, indem sie doppelsträngige RNA-Moleküle injizierten, die den genetischen Code für mehrere andere Wurmproteine ​​enthielten. In jedem Experiment führte die Injektion von doppelsträngiger RNA mit einem genetischen Code dazu, dass das Gen, das diesen bestimmten Code enthält, zum Schweigen gebracht wurde. Das von diesem Gen kodierte Protein wurde nicht mehr gebildet.

Nach einer Reihe einfacher, aber eleganter Experimente schlossen Fire und Mello, dass doppelsträngige RNA Gene zum Schweigen bringen kann, dass diese RNA-Interferenz spezifisch für das Gen ist, dessen Code mit dem des injizierten RNA-Moleküls übereinstimmt, und dass sich RNA-Interferenz zwischen Zellen und Zellen ausbreiten kann sogar vererbt werden. Es reichte aus, winzige Mengen doppelsträngiger RNA zu injizieren, um eine Wirkung zu erzielen, und Fire und Mello schlugen daher vor, dass RNA-Interferenz (heute allgemein als RNAi abgekürzt) ein katalytischer Prozess ist.

Fire und Mello veröffentlichten ihre Ergebnisse am 19. Februar 1998 in der Zeitschrift Nature. Ihre Entdeckung klärte viele verwirrende und widersprüchliche experimentelle Beobachtungen und enthüllte einen natürlichen Mechanismus zur Steuerung des Flusses genetischer Information. Dies war der Startschuss für ein neues Forschungsfeld.

Die RNA-Interferenzmaschinerie ist entwirrt

Die Komponenten der RNAi-Maschinerie wurden in den folgenden Jahren identifiziert (Abb. 3). Doppelsträngige RNA bindet an einen Proteinkomplex, Dicer, der sie in Fragmente spaltet. Ein weiterer Proteinkomplex, RISC, bindet diese Fragmente. Einer der RNA-Stränge wird eliminiert, der andere bleibt jedoch an den RISC-Komplex gebunden und dient als Sonde zum Nachweis von mRNA-Molekülen. Wenn ein mRNA-Molekül mit dem RNA-Fragment auf RISC paaren kann, wird es an den RISC-Komplex gebunden, gespalten und abgebaut. Das Gen, das von dieser speziellen mRNA bedient wird, wurde zum Schweigen gebracht.

RNA-Interferenz – eine Abwehr gegen Viren und springende Gene

RNA-Interferenz ist wichtig bei der Abwehr von Viren, insbesondere bei niederen Organismen. Viele Viren haben einen genetischen Code, der doppelsträngige RNA enthält. Wenn ein solches Virus eine Zelle infiziert, injiziert es sein RNA-Molekül, das sich sofort an Dicer bindet (Fig. 4A). Der RISC-Komplex wird aktiviert, virale RNA wird abgebaut und die Zelle überlebt die Infektion. Zusätzlich zu dieser Abwehr haben höhere Organismen wie der Mensch eine effiziente Immunabwehr entwickelt, die Antikörper, Killerzellen und Interferone umfasst.

Springende Gene, auch Transposons genannt, sind DNA-Sequenzen, die sich im Genom bewegen können. Sie sind in allen Organismen vorhanden und können Schäden anrichten, wenn sie an der falschen Stelle landen. Viele Transposons funktionieren, indem sie ihre DNA in RNA kopieren, die dann revers zurück in DNA transkribiert und an einer anderen Stelle im Genom eingefügt wird. Ein Teil dieses RNA-Moleküls ist oft doppelsträngig und kann durch RNA-Interferenz gezielt werden. Auf diese Weise schützt die RNA-Interferenz das Genom vor Transposons.

RNA-Interferenz reguliert die Genexpression

RNA-Interferenz wird verwendet, um die Genexpression in den Zellen des Menschen sowie in Würmern zu regulieren (Abb. 4B). Hunderte von Genen in unserem Genom kodieren kleine RNA-Moleküle, die microRNAs genannt werden. Sie enthalten Teile des Codes anderer Gene. Ein solches microRNA-Molekül kann eine doppelsträngige Struktur bilden und die RNA-Interferenzmaschinerie aktivieren, um die Proteinsynthese zu blockieren. Die Expression dieses bestimmten Gens wird zum Schweigen gebracht. Heute wissen wir, dass die genetische Regulation durch microRNAs eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Organismus und der Kontrolle zellulärer Funktionen spielt.

Neue Möglichkeiten in der biomedizinischen Forschung, Gentechnologie und im Gesundheitswesen

Die RNA-Interferenz eröffnet spannende Möglichkeiten für den Einsatz in der Gentechnik. Doppelsträngige RNA-Moleküle wurden entwickelt, um die Stilllegung spezifischer Gene in Menschen, Tieren oder Pflanzen zu aktivieren (Fig. 4C). Solche zum Schweigen bringenden RNA-Moleküle werden in die Zelle eingeführt und aktivieren die RNA-Interferenzmaschinerie, um mRNA mit einem identischen Code abzubauen.

Diese Methode ist bereits zu einem wichtigen Forschungsinstrument in der Biologie und Biomedizin geworden. Es ist zu hoffen, dass es in Zukunft in vielen Disziplinen eingesetzt wird, einschließlich der klinischen Medizin und der Landwirtschaft. Mehrere neuere Veröffentlichungen zeigen erfolgreiches Gen-Silencing in menschlichen Zellen und Versuchstieren. Zum Beispiel wurde kürzlich gezeigt, dass ein Gen, das hohe Cholesterinwerte im Blut verursacht, durch die Behandlung von Tieren mit stummschaltender RNA zum Schweigen gebracht wird. Es gibt Pläne zur Entwicklung von Silencing-RNA zur Behandlung von Virusinfektionen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Krebs, endokrinen Störungen und mehreren anderen Erkrankungen.

Referenz:
Fire A., Xu S.Q., Montgomery M.K., Kostas S.A., Driver S.E., Mello C.C. Starke und spezifische genetische Interferenz durch doppelsträngige RNA bei Caenorhabditis elegans. Natur 1998 391:806-811.

Andrew Z. Fire, geboren 1959, US-amerikanischer Staatsbürger, PhD in Biologie 1983, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA. Professor für Pathologie und Genetik, Stanford University School of Medicine, Stanford, CA, USA.

Craig C. Mello, geboren 1960, US-amerikanischer Staatsbürger, PhD in Biologie 1990, Harvard University, Boston, MA, USA. Professor für Molekulare Medizin und Howard Hughes Medical Institute Investigator, Programm für Molekulare Medizin, Medizinische Fakultät der Universität von Massachusetts, Worcester, MA, USA.


Transposons, Viren und RNA-Interferenz - Biologie

RNA-Interferenz (RNA17) ist eine konservierte biologische Reaktion auf doppelsträngige RNA, die zur sequenzspezifischen Stilllegung der Zielgenexpression führt. In den letzten 5 Jahren haben intensive Forschungsanstrengungen die schnelle Entwicklung von RNAi von einem relativ obskuren biologischen Phänomen zu einem wertvollen Werkzeug ermöglicht, das verwendet wird, um die Zielgenexpression zum Schweigen zu bringen und groß angelegte funktionelle genomische Screens durchzuführen. Tatsächlich haben neuere Studien, über die in dieser und anderen Zeitschriften berichtet wurde, Erfolg bei der Verwendung von RNAi gezeigt, um die Rolle der Onkogen-Expression in Leukämiezelllinien zu untersuchen und das therapeutische Potenzial von RNAi zur Behandlung dieser Blutkrankheiten zu validieren. Um diese Anwendungen voranzutreiben und die Zukunft der RNAi sowohl in der Grundlagenforschung als auch bei der Behandlung von Krankheiten, die durch aberrante Genexpression verursacht werden, einzuschätzen, ist es wichtig, den Prozess der RNAi und seine Grenzen zu verstehen.

Online vorveröffentlicht als Blut Erstausgabe Paper, 12. April 2005 DOI 10.1182/blood-2004-12-4643.

Unterstützt durch Zuschüsse der National Institutes of Health (Zuschüsse AI34 039 und CA62 220).


RNA-Interferenz erklärt

Indem es Wissenschaftlern ermöglicht, Gene selektiv auszuschalten, verspricht es, die wissenschaftliche Welt mit seinem therapeutischen Potenzial und seinen weitreichenden Anwendungen, einschließlich Zwiebeln, die Sie nicht zum Weinen bringen, und neuen Behandlungen für degenerative Krankheiten in Brand zu setzen, in Brand zu setzen. Aber wie funktioniert es?

Das Verfahren geht auf eine wichtige Versuchsreihe zurück, die in den 1990er Jahren von den amerikanischen Biologen Craig Mello und Andrew Fire durchgeführt wurde. Sie injizierten Würmern ein kurzes Stück RNA, das das genetische Spiegelbild eines Muskelgens namens unc-22 war. Das Ergebnis waren Würmer, die zuckten, genau wie bei einer anderen Würmerfamilie, bei der das unc-22-Gen vollständig entfernt worden war. Dies sagte Mello und Fire, dass die RNA, die sie injiziert hatten, das Muskelgen in den injizierten Tieren abgeschaltet oder "zum Schweigen gebracht" haben musste.

Aufbauend auf ihrer anfänglichen Wurmarbeit setzten die beiden Wissenschaftler dann langsam die molekulare Maschinerie hinter diesem "RNA-Interferenz"-Prozess zusammen und enthüllten dabei, was eines der mächtigsten Instrumente im Werkzeugkasten des Molekularbiologen werden soll.

Evolutionärer Schutzmechanismus

Die Grundlage der RNA-Interferenz stammt aus den 1950er Jahren, als Wissenschaftler erstmals entdeckten, dass RNA auch in doppelsträngiger Form (dsRNA) existieren kann, ähnlich wie ihre Verwandte DNA. dsRNAs können auf natürliche Weise entstehen, wenn Zellen mit bestimmten Krankheitserregern wie Viren wie HIV infiziert werden, und durch springende Teile des genetischen Materials, sogenannte Transposons, die die DNA einer Zelle schädigen können. Um mit diesen Bedrohungen umzugehen, haben Zellen einen Mechanismus zum Abbau jeglicher auftretender dsRNAs entwickelt, um die Replikation des angreifenden Erregers zu blockieren.

Die Zerstörung der dsRNA wird durch ein entsprechend benanntes Enzym namens Dicer erreicht, das in Partnerschaft mit einem zweiten Enzym namens Argonaute arbeitet (zufällig benannt nach seiner Ähnlichkeit mit einer Familie von Kraken, die wiederum nach den Seeleuten in der griechischen Mythologie getauft wurden, die, angeführt von Jason an Bord der Argo, auf der Suche nach dem Goldenen Vlies).

Zusammen initiieren diese Enzyme den Interferenzprozess, indem sie die dsRNA lokalisieren und aufschneiden, so dass das Gen, das sie repräsentiert, nicht in eine Proteinsequenz übersetzt werden kann, wodurch das Gen effektiv "stummgeschaltet" wird. Der gleiche Prozess läuft in den unterschiedlichsten Organismen von Pilzen und Pflanzen bis hin zu Würmern, Mäusen und Menschen ab.

Nutzung von RNAi

Aber wie können wir es zu unserem Vorteil nutzen? Die Grundidee besteht darin, das zu wiederholen, was Mello und Fire mit ihren Würmern gemacht haben, und störanfällige Gene auszuschalten, die mit bestimmten Krankheiten verbunden sind. Die RNAi-Gene könnten mit modifizierten Viren an gefährdete Zellen geliefert oder einfach als nackte RNA in bestimmte Zellen injiziert werden.

So schwierig es klingt, die Forscher machen bereits erhebliche Fortschritte bei der Umsetzung dieses Konzepts. 2006 haben Williams et al. veröffentlichten eine Studie, in der sie die Verwendung von RNAi untersuchten, um Spermien daran zu hindern, Eizellen zu befruchten. Sie verwendeten die Technik, um ein Gen zum Schweigen zu bringen, das für ein spermienbindendes Protein kodiert, das normalerweise auf der Oberfläche von menschlichen oder Mauseiern (Eiern) vorhanden ist. Die resultierenden Eizellen, denen das Protein fehlte, konnten nicht mit Spermien interagieren und blieben daher unbefruchtet. Da gegenwärtige Verhütungsmittel die Manipulation weiblicher Hormone oder das Einsetzen von Kupfergeräten in die Gebärmutter beinhalten, was bei manchen Menschen Probleme bereiten kann, ist diese alternative Methode, ein für die Befruchtung essentielles Gen vorübergehend auszuschalten, eine sehr attraktive Perspektive für eine zukünftige Geburt. Kontrollstrategie.

"Reißfaktor"

Leichter gesagt, wenn auch etwas "tränenreicher", haben Forscher des New Zealand Institute for Crop and Food Research Limited die gleiche Technik verwendet, um ein Schlüsselgen zum Schweigen zu bringen, das für den tränenreichen Effekt beim Schneiden einer Zwiebel verantwortlich ist.

Der Tränenfaktor ist eine Schwefelverbindung namens Syn-Propanethial-S-Oxid, die die Vorderseite des Auges reizt und eine erhöhte Tränenproduktion auslöst. Es wird auf einem chemischen Weg hergestellt, der mehrere Schritte umfasst, die von Enzymen katalysiert werden, die scharfe Chemikalien in der Zwiebel, sogenannte Aminosäuresulfoxide, in die aktive schreiende Chemikalie umwandeln.

Das Schneiden in das Zwiebelfleisch befreit diese Enzyme, zu denen eines namens Allinase und ein anderes namens Tränenfaktor-Synthase gehört, aus den speziellen Fächern, in denen sie normalerweise in den Zellen einer Zwiebel eingeschlossen sind.

Genau diesen Schritt hat das neuseeländische Team mit RNAi angestrebt. Sie haben ein kurzes Stück genetisches Material eingefügt, das das Spiegelbild des Gens der Tränenfaktor-Synthase ist. Wenn sich dieses Spiegelbild mit dem Gen paart, bilden die beiden ein Segment der dsRNA, das die Zelle abbaut und die Expression des Gens verhindert.

Anstatt die Schwefelverbindungen in das Reißmittel umzuwandeln, leitet die Zwiebel sie stattdessen über einen alternativen Stoffwechselweg um, der Aromamoleküle produziert. Dadurch erregen sie eher die Geschmacksknospen als die Tränendrüsen.

Dr. Colin Eady, der das Projekt leitet, ist vom Potenzial seiner „tränenlosen Zwiebel“ überzeugt. „Sie sind ein so vielseitiges und nahrhaftes Gemüse, und die Zwiebel ist für viele Länder eine der Hauptquellen für Ballaststoffe. Wenn wir es schaffen, mehr Menschen dazu zu bringen, frische Zwiebeln zu kochen und zu essen, muss das ein positives Ergebnis sein.“ , er sagt. Und wer könnte widersprechen?

Neurodegenerative Erkrankung

Aber wichtiger als Zwiebeln, die Sie nicht zum Weinen bringen können, ist die Aussicht, RNAi zur Bekämpfung bestimmter humangenetischer Krankheiten einzusetzen. Die Forscherin Beverly Davidson und ihr Team von der University of Iowa haben kürzlich gezeigt, dass Erkrankungen wie die Huntington-Krankheit einer auf RNA-Interferenz basierenden Therapie zugänglich sein können (Nature Medicine doi:10.1038/nm1076).

In Zusammenarbeit mit Mäusen, die auf die Entwicklung einer degenerativen Erkrankung namens spinozerebelläre Ataxie programmiert sind, hat das Team aus Iowa das Schuldige-Gen in fünf Wochen alten Mäusen erfolgreich zum Schweigen gebracht, sodass das toxische Protein, das es kodiert, nicht produziert und die degenerative Krankheit verhindert wird. Nach sechs Monaten dieser Gentherapie zeigten die Mäuse in der Studie normale Bewegungen und zeigten keine Anzeichen von Hirnschäden im Vergleich zu unbehandelten Mäusen, die alle Symptome entwickelten.

Trotz der positiven Ergebnisse dieser Studie, die, wie Davidson hervorhebt, das „erste Beispiel für die gezielte Gen-Stummschaltung eines Krankheitsgens im Gehirn lebender Tiere ist [was darauf hindeutet], dass dieser Ansatz schließlich für menschliche Therapien nützlich sein könnte“, gibt es bleibt eine gewisse Skepsis gegenüber dem möglichen zukünftigen Erfolg solcher Behandlungen.

Zunächst einmal ist das an Huntington beteiligte Gen in einem anderen Teil des Gehirns aktiv als das in dieser Studie untersuchte Gen. Der Zugriff auf das Huntington-Gen mit den viralen Vektoren, die in Davidsons Studie verwendet wurden, wäre keine triviale Angelegenheit. Unter anderen Bedingungen sind jedoch viele der anvisierten Gene hauptsächlich während der Embryonalentwicklung aktiv, so dass es möglich erscheint, sie im späteren Leben mit minimalen Nebenwirkungen zum Schweigen zu bringen.

Dennoch könnte sich das Alter als Problem herausstellen, warnt Thomas Tuschl, Forscher am Max-Planck-Institut in Deutschland und führender Akteur auf dem Gebiet des Gen-Silencing. "Davidsons Gruppe hat gezeigt, dass sie die Krankheit verhindern kann, wenn sie die Therapie frühzeitig beginnt, bevor Symptome sichtbar werden. Sie haben nicht gezeigt, ob die Behandlung eines erkrankten 10 Wochen alten Tieres die Symptome verbessern würde. Bei den meisten medizinischen Anwendungen haben die Patienten bereits Symptome." wenn sie diagnostiziert werden."

Dennoch ist diese Studie kein isoliertes Beispiel dafür, wie RNA-Interferenzen und das Stummschalten von Genen medizinische Therapien in Zukunft verbessern könnten. Die Möglichkeiten scheinen endlos und zumindest die Behandlung scheint sich schnell zu entwickeln. Dieses Feld ist sowohl aufregend als auch in einem Tempo, in dem wir die Vorteile der Gentherapie eher in naher als in ferner Zukunft ernten könnten.


Interferenz zwischen Viren und Transposons bei Drosophila.

Jüngste Arbeiten des Labors für Biometrie und Evolutionsbiologie* und des Labors für Virusinfektionen und vergleichende Pathologie* zeigen, dass Virusinfektionen die Aktivität der transponierbaren Elemente in Drosophila beeinträchtigen.

Transposable Elemente (oder Transposons) sind DNA-Sequenzen, die sich als Parasiten des Genoms. Sie können sich entlang der Chromosomen bewegen und vermehren. Sie sind in allen Organismen vorhanden und machen die Hälfte des menschlichen Genoms aus. Wenn sie transponieren, verursachen sie Mutationen, die schädlich sein kann, aber auch eine Quelle von genetische Innovation. Die Aktivität von transponierbaren Elementen ist über die Zeit nicht konstant. Und obwohl bekannt ist, dass bestimmte Faktoren wie Stress eine Transposition auslösen können, ist das Verständnis der Dynamik dieser Sequenzen innerhalb von Genomen noch immer nur unvollständig.

Die Studie, die von einem Forschungsteam des Biometrics and Evolutionary Biology Laboratory und des Viral Infections and Comparative Pathology Laboratory entwickelt und vom LabEx Ecofect im Rahmen des ERMIT-Projekts finanziell unterstützt wurde, hat gezeigt, dass Virusinfektionen sind ein neuer Faktor am Ursprung der Modulation der Aktivität von transponierbaren Elementen. Tatsächlich scheint es bei Verwendung verschiedener Linien von Fruchtfliegen, die mit dem Sindbis-Arbovirus infiziert sind, dass die Menge der Transkripte von transponierbaren Elementen, die für die Transposition essentiell sind, bei einer Virusinfektion variiert. Diese Modulationen beinhalten RNA-Interferenzwege, die an der antiviralen Antwort von Drosophilie beteiligt sind.

Bedenkt, dass Virusinfektionen die Aktivität der transponierbaren Elemente beeinflussen, deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass sie eine Rolle spielen könnten Rolle bei der Modulation der Geschwindigkeit der Genom-Evolution.

Referenzartikel

Roy, M., Viginier, B., Saint-Michel, ., Arnaud, F., Ratinier, M., & Fablet, M. (2020). Virusinfektion beeinflusst die Transkriptmengen der transponierbaren Elemente in Drosophila. Proceedings of the National Academy of Sciences, 117(22), 12249-12257.
doi: https://doi.org/10.1073/pnas.2006106117

* Labor für Biometrie und Evolutionsbiologie (LBBE - Unviersité Claude Bernard Lyon 1 / CNRS / VetAgro Sup)

* Labor für Virusinfektionen und vergleichende Pathologie (IVPC - Université Claude Bernard Lyon 1 / EPHE / INRAE)


Funktionen und Stummschaltung

Die klassische Ansicht der miRNA-Funktion, die auf den frühen Entdeckungen der miRNA basiert, war analog zu einem binären Schalter, bei dem miRNA die Translation einiger weniger wichtiger mRNA-Ziele unterdrückt, um einen Entwicklungsübergang einzuleiten. Spätere Studien haben diese Definition jedoch stark erweitert. In Pflanzen binden die meisten miRNAs mit nahezu perfekter Komplementarität an die kodierende Region der mRNA. Auf der anderen Seite binden tierische miRNAs mit teilweiser Komplementarität (mit Ausnahme einer Saatregion, Reste 2-8) an die 3&rsquo UTR-Regionen der mRNA. Daher gibt es in Tieren potenziell Hunderte von Zielen einer einzelnen miRNA und nicht nur wenige [1]. Darüber hinaus sind bei Säugetieren nur wenige der vorhergesagten Ziele an der Entwicklung beteiligt, während der Rest voraussichtlich ein breites Spektrum molekularer und biologischer Prozesse abdeckt [2]. Schließlich wirkt miRNA-Silencing sowohl durch Translationsrepression als auch durch mRNA-Spaltung (und auch durch Destabilisierung, wie unten diskutiert) (wie z. B. von Bartel und Mitarbeitern an der miR-196-gerichteten Spaltung von HOXB6 gezeigt [26]). Zusammengefasst besteht die moderne Sicht der miRNA-Funktion darin, dass miRNA die Expression vieler mRNA-Ziele dämpft, um die Expression zu optimieren, die Zellidentität zu stärken und Übergänge zu schärfen.

Der Mechanismus, für den miRNA das Stummschalten von Ziel-mRNA vermittelt, ist noch ein Forschungsgebiet. Wie zuvor diskutiert, kann das RNA-Silencing entweder die Form einer Spaltung, Destabilisierung (die zu einem anschließenden Abbau der mRNA führt) oder Translationsrepression annehmen. Bei Pflanzen wurde festgestellt, dass der vorherrschende Modus der RNA-Stummschaltung durch Argonaute-katalysierte Spaltung erfolgt. Der Beitrag dieser verschiedenen Arten des Schweigens war jedoch bei Tieren weniger klar. Aktuelle globale Analysen der Bartel-Gruppe in Zusammenarbeit mit Gygi und Ingolia und Weissman beleuchten diese Frage. In einer Studie aus dem Jahr 2008 untersuchten die Gruppen von Bartel und Gygi die globalen Veränderungen des Proteinspiegels mit Massenspektrometrie nach der Einführung oder Deletion von miRNA [1]. Ihre Ergebnisse zeigten die Unterdrückung von Hunderten von Genen durch einzelne miRNAs, und noch wichtiger ist die Destabilisierung der mRNA für die Mehrheit der stark reprimierten Ziele (Abbildung 13.2).

Mit freundlicher Genehmigung von Macmillan Publishers Limited. Mit Genehmigung verwendet. Quelle: Baek, Daehyun, et al. "Der Einfluss von MicroRNAs auf die Proteinproduktion." Nature 455, No. 7209 (2008): 64-71.

Abbildung 13.2: Protein- und mRNA-Veränderungen nach Verlust von miR-223, von Botschaften mit mindestens einer 8-mer 3&rsquoUTR-Stelle (blau) oder mindestens einem 7-mer (orange). Übernommen von Baek et al., 2008 (Ref. [1]). Copyright & Kopie 2008 Macmillan Publishers Limited.

Dies wird weiter durch eine nachfolgende Studie untermauert, die sowohl RNA-seq als auch ein neuartiges Ribosomen-Profiling verwendet, das erstmals von Inoglia und Weissman 2009 gezeigt wurde und das die Abfrage globaler Translationsaktivitäten mit Subcodon-Auflösung ermöglicht [14]. Die Ergebnisse zeigten, dass die Destabilisierung der Ziel-mRNA der vorherrschende Mechanismus ist, durch den miRNA die Proteinproduktion reduziert.