Neue Methode für Genkontrolle durch Licht

Bei Beleuchtung (rechts) bindet das PAL-Molekül an das Aptamer (blaue Schleife links oben). Das Label aus regulatorischer RNA kann daher nicht mehr an die mRNA binden. So wird diese nicht abgebaut Die Gene im Kern jeder menschlichen Zelle enthalten die Bauanleitungen von Proteinen. Wenn die Zelle ein bestimmtes Protein benötigt, wird von der entsprechenden Anleitung eine Abschrift in Form der Boten- bzw. Messenger RNA, der sogenannten mRNA (RNA ist eine leicht abgewandelte Form der Erbsubstanz DNA).

Ein zellulärer Mechanismus sorgt dafür, dass die mRNA-Abschriften nach kurzer Zeit wieder „geschreddert“ werden. So ist sichergestellt, dass das Protein nur so lange produziert wird, wie es tatsächlich benötigt wird. Wissenschaftler sind schon vor einigen Jahrzehnten auf die Idee gekommen, diesen Schredder für eigene Zwecke zu nutzen: Indem sie bestimmten mRNAs ganz gezielt eine Markierung anheften, erreichen sie, dass die Abschriften gar nicht erst als Bauanleitung dienen, sondern direkt vernichtet werden – ein Prozess, der auch als RNA Silencing (RNA-Stummschaltung) bezeichnet wird. Der Zelle fehlt dann das entsprechende Protein. So lässt sich herausfinden, für welche Funktion es eigentlich zuständig wäre.

Der Ansatz, den die Gruppen aus Bonn und Bayreuth nun publiziert haben, baut auf dieser Methode auf. Er erlaubt eine äußerst differenzierte Kontrolle über die Lebensdauer der mRNA-Kopien. Durch den Einsatz eines bakteriellen Moleküls lässt sich das Zerschreddern der mRNA-Abschriften mit Hilfe von Licht steuern. Das Bakterien-Molekül mit dem Kürzel PAL fungiert dabei als eine Art Schalter. Es ändert unter Einfluss von blauem Licht seine Gestalt in eine Form, an die bestimmte Moleküle binden können. Die Forscher haben aus einer riesigen Bibliothek künstlich hergestellter kurzer RNA-Moleküle, sogenannter Aptamere, ein Aptamer identifiziert, das sehr gut zu der Gestalt des PAL-Moleküls passt.

Dieses Aptamer haben die Forscher nun an eine der molekularen Markierungen gekoppelt, die sich an mRNAs heften können und diese damit zum Abbau freigeben. Wenn die Zelle nun mit blauem Licht bestrahlt wird, bindet PAL über das Aptamer an die Markierung und setzt sie damit außer Gefecht. Die mRNA wird dann also nicht vernichtet, sondern in das entsprechende Protein übersetzt. Sobald das blaue Licht ausgeschaltet wird, lässt PAL die Markierung wieder los. Jetzt kann sie sich an die mRNA heften, die dann geschreddert wird.

Auf diese Weise kann nun untersucht werden, wo und wann ein Protein in einer Zelle genau benötigt wird – einfach, indem sie zu einem bestimmten Zeitpunkt einen Bereich der Zelle in blaues Licht tauchen und sich dann die Konsequenzen ansehen. In der aktuellen Studie wurde das Verfahren für Proteine erprobt, die bei der Regulation des Zellzyklus und der Zellteilung eine wichtige Rolle spielen. Die Verbindung aus Aptamer und Abbau-Markierung wird dabei auf gentechnischem Wege in die Zelle eingeschleust. Diese erzeugt das lichtabhängige Abbausignal danach selbst, und es muss nicht von außen zugeführt werden.

Das Aptamer lässt sich mit beliebigen Markierungen kombinieren, von denen jede wiederum als Schredder-Signal für eine bestimmte mRNA dient. Mit dieser Methode lässt sich daher praktisch jedes mRNA-Molekül in der Zelle kontrolliert ausschalten. In der jetzt veröffentlichten Pilotstudie funktionierte das Ganze ebenso einfach wie zuverlässig. Die Wissenschaftler sehen in ihrer Methode daher großes Potenzial für die Erforschung dynamischer Prozesse in lebenden Zellen und Organismen.