RNA-vermittelte generationenübergreifende Genomüberwachung

Das Stilllegen von Genexpression durch kleine RNAs ist ein grundlegender, zellulärer Prozess in den meisten Eukaryoten, wie zum Beispiel in Pilzen, Pflanzen, Fliegen, Würmern und Säugetieren. Eine der wichtigsten Aufgaben dieses Prozesses ist es, die Aktivität von Transposons zu neutralisieren. Wie Zellen Transposons von ihrem eigenen Genom ("Fremd" von "Selbst") unterscheiden können und wie Zellen mit kleinen RNAs gezielt Transposons erkennen, ist bisher nicht ausreichend bekannt. Das Wimperntierchen Tetrahymena thermophila identifiziert Sequenzen, die von Transposons abstammen, durch kleine RNAs in einem genomweiten, generationenübergreifenden Überwachungsmechanismus. Dieses Programm zur extensiven Eliminierung von DNA wird während der sexuellen Reproduktion durchgeführt, wenn der neue Makronukleus aus dem Mikronukleus, der die Keimbahn darstellt, hervorgeht. Viele eliminierte Sequenzen stammen von Transposons ab. Der Prozess der DNA Eliminierung wird durch die kleinen RNAs, genannt scnRNAs (28-30 Nukleotide lang), gesteuert. Diese werden durch einen RNAi-verwandten Mechanismus erzeugt und genutzt. Meiner Ansicht nach, wird die vorgeschlagene Studie zur Erforschung des epigenetischen Prozesses der Erkennung von transposon-ähnlichen Sequenzen durch kleine RNAs in Tetrahymena vielfältige, neue Erkenntnisse liefern. Davon erwarte ich mir, das Verständnis der generellen Mechanismen von Selbst- und Fremderkennung in Eukaryoten zu verbessern. Unsere aktuellsten Ergebnisse deuten darauf hin, dass DNA Eliminierung in Tetrahymena von zwei epigenetischen Mechanismen reguliert wird: 1. Produktion von scnRNAs, verstärkt von den eliminierten Sequenzen im Mikronukleus und 2. selektiver Abbau von scnRNAs, die komplementär zu nicht-eliminierten Sequenzen im parentalen Makronukleus sind. Der erste Mechanismus könnte generationenübergreifend durch das Genom des großelterlichen Makronukleus reguliert werden und während des vegetativen Wachstums epigenetisch als bestimmter Status des Chromatins erhalten bleiben. Der zweite Mechanismus könnte dazu dienen Sequenzen im Genom als Selbst oder Fremd zu bestimmen. Dieser Projektantrag zielt darauf ab, im Prozess der RNA- vermittelten DNA Eliminierung die Rolle dieser zwei Schlüsselmechanismen aufzuklären, indem der epigenetische Kreislauf artifiziell gestört wird und durch genetische und biochemische Analysen neue Faktoren der DNA Eliminierung charakterisiert werden.

Transposons sind "molekulare Parasiten", die ihren Platz im Erbgut ändern und dadurch Mutationen auslösen können, oft werden sie deswegen auch als springende Gene bezeichnet. Die Zellen unseres Körpers haben jedoch eine Strategie entwickelt, um sich gegen Transposons zur Wehr zu setzen. Sie werden von einer "geschlossenen" Form von Chromatin, dem sogenannten Heterochromatin, einfach weggeschlossen und somit unschädlich gemacht. In vielen Mehrzellern wie auch beim Menschen sind winzige, nur etwa 20-30 Nukleotide lange, RNA Fragmente als Sicherheitssystem aktiv: Die kleinen Moleküle erkennen schädliche Transposons, docken daran an und legen sie still. Der Einzeller Tetrahymena verwendet Heterochromatin, um über 10 000 der Transposon Sequenzen zu erkennen - durch den Prozess der DNA -Eliminierung entledigt sich das Erbgut dann der egoistischen Sequenzen. Ziel des Projekts war es herauszufinden, wie kleine RNAs gebildet werden, wie sie das Erbgut patrouillieren und wie Heterochromatin gebildet wird. Der Prozess der DNA -Eliminierung bei Tetrahymena stand dabei im Fokus. Im Zuge der Forschung konnten die ForscherInnen ein detailliertes Expressionsmuster kleiner RNAs abbilden und eine neuartige Transkriptionsmaschinerie zur Bildung kleiner RNAs identifizieren. Der Prozess der DNA- Eliminierung beinhaltet auch den gesteuerten Abbau kleiner RNAs, die in nicht eliminierten DNA- Sequenzen gebildet werden. Ein Proteinabbau Prozess ist demnach wahrscheinlich maßgeblich für den Stoffwechsel der kleinen RNAs. Außerdem konnten die ForscherInnen eine völlig neue Gruppe kleiner RNAs identifizieren,die in "Heterochromatin- typischer" Art gebildet wird und auch im DNA- Eliminierungsprozess eine Rolle spielt. Dies weist auf einen bisher unentdeckten Mechanismus, eine Art positive Feedback-Schlaufe zwischen kleinen RNAs und Heterochromatin bei der DNA-Eliminierung hin. Diese neuen Erkenntnisse tragen nicht nur wesentlich dazu bei, neue Mechanismen der DNA-Eliminierung bei Tetrahymena zu erforschen, aber zeigen auch, wie das molekulare "Wettrüsten" zwischen Parasit und Wirt unser Genom geformt hat.