Cytosinmethylierung als neuer Mechanismus zur Regulation von IncRNAs

Die Nukleinsäuren DNA und RNA können durch eine Reihe von postsynthetischen Reaktionen chemisch modifiziert werden. DNA enthält in erster Linie Cytosinmethylierungen, während für die RNA eine breite Vielfalt unterschiedlicher Modifikationen bekannt ist, welche sowohl die Nukleobasen als auch die Ribose betreffen können. Der Großteil dieser Modifikationen wurde an den mengenmäßig am stärksten vorkommenden RNA Spezies, den rRNAs und tRNAs, entdeckt und untersucht. Im Gegensatz dazu ist sehr wenig über die Art und Bedeutung chemischer Modifikationen an internen Nukleobasen in poly(A)RNAs bekannt. Durch die enorme technologische Entwicklung der Sequenziermethodik in den vergangenen Jahren ist klar geworden, dass das eukaryontische Transkriptom wesentlich komplexer ist als angenommen und aus einer Vielfalt unterschiedlicher RNA Typen besteht. Eine besonders interessante RNA Spezies ist die Klasse der langen nicht kodierenden RNAs (lncRNAs). Eine prominente Funktion dieser RNAs scheint in der Regulation von Chromatin Struktur und Genaktivität zu liegen. Erst kürzlich konnten wir und zwei weiteren Forschungsgruppen zeigen, dass poly(A)RNAs Cytosinmethylierungen (m5C) aufweisen können. Im Speziellen haben wir entdeckt, dass die lncRNAs HOTAIR und XIST methyliert werden und dass im Fall von XIST diese Modifikation die Interaktion mit dem Chromatin-modifizierenden Proteinkomplex PRC2 negativ beeinflusst. Diese Befunde deuten darauf hin, dass Cytosinmethylierung die Interaktion zwischen lncRNAs und ihren Proteinpartnern regulieren könnte. Mit dem Ziel ein umfassendes Verständnis der biochemischen und biologischen Effekte von Cytosinmethylierung in lncRNAs zu erlangen, möchten wir mit dem vorliegenden Projekt unsere Studien auf diesem Gebiet fortsetzen und ausweiten. Konkret planen wir eine transkriptom-weite Untersuchung des Vorkommens von m5C in poly(A)RNA und lncRNA. Die Daten aus diesen Experimenten sollen anschließend mit Hilfe detaillierter bioinformatischer Analysen mit strukturellen oder funktionellen Eigenschaften der RNAs korreliert werden. Darüberhinaus werden wir den Einfluss der Methylierung auf RNA-Protein Interaktionen untersuchen. In einem zweiten Projektteil planen wir Studien zur Identifikation der für spezifische Methylierungen verantwortlichen Enzyme. Schließlich werden wir an der Entwicklung einer neuen Methode zur Detektion weiterer Cytosinmodifikationen in RNA arbeiten. Wir hoffen mit den geplanten Untersuchungen bisher unbekannte Mechanismen der Funktionsregulation von RNA, im speziellen von lncRNA, zu entdecken. Die Regulation der Aktivität von mRNAs und lncRNAs betrifft letztlich alle Prozesse des Lebens. Daher erwarten wir, dass die Ergebnisse aus den geplanten Studien zu einem tieferen Verständnis verschiedenster zellulärer Vorgänge wie z.B. Zellzyklus, Entwicklung und Differenzierung, führen werden und darüberhinaus Einblicke in die Entstehung bzw. Therapie bestimmter humaner Erkrankungen erlangt werden können.

Die DNA ist Trägerin der genetischen Information, und ihre Übersetzung und Interpretation ist ein kompliziert regulierter Prozess in jedem Lebewesen. Im ersten Schritt des Auslesens der genetischen Information wird DNA in RNA überschrieben. Diese Moleküle können einerseits als Botenmoleküle fungieren, die die Synthese von Proteinen diktieren, andererseits haben RNA Moleküle auch Kontroll- und Enzymfunktionen. Die Funktion der RNA wird jedoch nicht nur durch ihre Nukleotidsequenz bestimmt, sie kann durch das Anbringen von chemischen Modifikationen an den Nukleotidbasen noch zusätzlich feinreguliert werden. Dieser Prozess erhielt in den letzten Jahren den Beinamen "Epitranscriptomics". Das Gebiet der Epitranscriptomics ist ein noch junges Forschungsfeld mit zahlreichen ungeklärten fundamentalen Fragen. Im Rahmen dieses Projekts wurde die Modifikation 5-Methylcytosin (m5C) untersucht. Dabei wurden zunächst geeignete experimentelle und analytische Methoden zur Detektion von m5C entwickelt. Mit Hilfe dieser Werkzeuge konnten wir zum ersten Mal die Verteilung von m5C in mRNA von embryonalen Stammzellen und dem Gehirn der Maus aufklären. Darüber hinaus wurde die Rolle von verschiedenen RNA Methyltransferasen in Bezug auf m5C in unterschiedlichen RNA Typen erforscht. Mit unseren Arbeiten ist es auch gelungen, eine neuartige Methode (TUC-seq) zu etablieren, mit deren Hilfe die Dynamik von RNA Synthese und Abbau genau bestimmt werden kann. TUC-seq basiert auf der metabolischen Markierung von RNA Transkripten mit einem modifizierten RNA Nucleosid. Durch anschließende chemische Konvertierung und Hochdurchsatzsequenzierung kann neusynthetisierte von bereits existierenden RNA Molekülen in der Zelle unterschieden und Transkriptions- bzw. Abbauraten berechnet werden. Die Arbeiten an diesem Projekt haben unser Verständnis von Epitranskriptom- Prozessen deutlich erweitert. Da die Regulation von mRNA und anderen RNAs ein fundamentaler Prozess ist, der alle Bereiche des Lebens betrifft, steht zu erwarten, dass die zukünftige Erforschung der Funktion von RNA Modifikationen durch die aus dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse und Werkzeuge maßgeblich vorangetrieben wird.