Der piRNA pathway in der Drosophila Keimbahn

Das Genom von Tieren und Pflanzen ist dicht besiedelt von einer breiten Vielfalt egoistischer genetischer Elemente. Die weitverbreitetsten unter ihnen sind mobile Elemente, die Transposons genannt werden. Transposons überleben in einer Population oder Art, indem sie sich im Wirts-Genom vermehren und ständig an neue Stellen hüpfen. Der direkt daraus resultierende Schaden für das Wirtsgenom ist beträchtlich und reicht von Insertions-Mutagenese bis zu weitreichenden chromosomalen Aberrationen. Dies führt unmittelbar zu einer verringerten biologischen Fitness des Wirts. Transposons gelten daher als genetische Parasiten auf der DNA Ebene. In den meisten Tieren gibt es eine spezielle Population von Zellen, die als einzige ihre genetische Information in Form von DNA an die nächste Generation weitergeben. In genau diesen Zellen, den sogenannten Keimzellen findet der beschriebene "Kampf" zwischen Wirt und Genom-Parasit statt: Während der Wirt mit allen Mitteln versucht, das Genom dieser wertvollen Zellen zu schützen, haben Tranposons zahlreiche clevere Strategien entwickelt, die es ihnen ermöglichen, in gerade diesen Zellen aktiv zu sein und sich zu vermehren. Die Bedrohung, die von Transposons für den Wirt ausgeht, hat während der Evolution zur Bildung verschiedener Abwehrmechanismen geführt. Schon frühe Studien im 20. Jahrhundert haben aufgezeigt, dass es in Pflanzen und Tieren solche Abwehrmechanismen geben muss. Die molekulare Grundlage dieses Systems war aber lange Zeit rätselhaft. Erst vor zehn Jahren änderte sich dieses Bild schlagartig mit der Entdeckung der sogenannten RNA Interferenz (RNAi). Inzwischen ist klar, dass dieser regulatorische Mechanismus, der auf kleinen RNAs beruht, an der Wurzel des Abwehrmechanismuses gegen Transposons ist. Mutationen in RNAi Prozessen führen zur massiven Aktivierung von Transposons in Pflanzen und Tieren, auch wenn sich inzwischen herausstellt, dass die genauen molekularen Mechanismen recht unterschiedlich sind. Der hauptverantwortliche Mechanismus in Tieren ist der sogenannte piRNA Pathway, ein keimbahn-spezifischer RNAi Prozess. Obwohl dieser Zusammenhang inzwischen weithin anerkannt ist, ist unser Verständnis von diesem regulatorischen Mechanismus auf der molekularen und mechanistischen Ebene nur rudimentär. Mit diesem START-Projekt soll der piRNA Pathway systematisch in Bezug auf seine molekulare Architektur und biologische Funktion hin analysiert werden. Dabei konzentriert sich die Arbeit auf die Fruchtfliege Drosophila melanogaster als Modell-Organismus. Die vorgeschlagenen Experimente sind eine reichhaltige Kombination aus genetischen, molekularen und biochemischen Ansätzen. Sie sind ferner ständig begleitet von weitreichenden bioinformatischen Analysen. Dank dieser Kombination ist davon auszugehen, dass signifikant zu dem Verständnis dieses faszinierenden Abwehrsystems, das in Tieren von Fliegen bis zum Menschen konserviert ist, beigetragen werden kann.

Die Integrität der genetischen Information in Form von DNA ist von essentieller Bedeutung für alle Lebewesen. Raffinierte Mechanismen in allen Zellen sorgen dafür, dass Schäden in der DNA exakt und effizient repariert werden. Eine bedeutende Quelle von DNA-Schäden geht von Transposons aus. Dies sind egoistische DNA-Abschnitte, welche sich in die Wirts-DNA integrieren und sich darin vermehren können. Da ihre Integration zufällig ist, und da bei ihrer Vermehrung DNA-Brüche entstehen, sind Transposons stark mutagen und eine Gefahr für Genom-Stabilität. Dies ist besonders in der Keimbahn von Bedeutung, da diese Zellen in Tieren die einzigen Zellen sind, welche die Erbinformation an zukünftige Generationen weitergeben. Eine Vielzahl verschiedener Transposons ist zahlreich vertreten in den Genomen so gut wie aller Lebewesen. Um genetische und genomische Stabilität zu gewährleisten, haben alle Lebewesen äußerst effiziente Abwehrmechanismen entwickelt, welche die Aktivität von Transposons unterdrücken. Unter diesen Mechanismen, sind kleine regulatorische RNAs von zentraler Bedeutung. Diese etwa 20-30 Nukleotid langen RNA Moleküle sind in der Lage, Repressor-Proteine der Argonaute Familie zu komplementären Transposon-Transkripten zu führen. Dadurch wird die spezifische Zerstörung der Transposon RNAs eingeleitet, was die Vermehrung des Transposons verhindert. In dem Projekt Der piRNA Pathway in der Drosophila Keimbahn wurde der erst kürzlich entdeckte piRNA Mechanismuseiner der drei zentralen Signalwege der auf kleinen regulatorischen RNAs beruhtin der Fruchtfliege Drosophila melanogaster systematisch erforscht. Das Forschungsvorhaben hatte zum Ziel diesen hoch effizienten Transposon-Abwehrmechanismus zu verstehen und dessen Funktionsweise aufzuklären. Dazu wurden verschiedene genetische und molekularbiologische Experimente entwickelt. Diese Arbeit hat zu zahlreichen neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen geführt, welche fuer das generelle Verständnis von Transposon-Biologie in Tieren von großer Bedeutung sind. Beispielsweise werden Transposons auch in Säugetieren von einem piRNA-System unterdrückt. Die Erforschung der Säuger-Keimbahn ist allerdings mit deutlich höherem Aufwand verbunden, und so haben unsere Erkenntnisse aus der Fruchtfliege maßgeblich zum Verständnis dieses Abwehrsystems in Säugern und auch dem Menschen beigetragen. Die drei zentralen Ergebnisse des Projektes sind: (1) Anhand eines genetischen Screens haben wir die Komponenten des piRNA Pathways aufgedeckt. Etwa 40 Proteine sind maßgeblich an diesem Mechanismus beteiligt. (2) Unsere Arbeit hat aufgezeigt, dass piRNAs nicht nur die Stabilität, sondern auch die Produktion von Transposon-Transkripten im Zellkern blockieren. (3) Wir haben die genomischen Speicher-Stellen, welche fuer die Produktion von piRNAs zuständig sind erforscht und sind dabei auf hoch interessante Prozesse der Transkription gestoßen.