Keimzellen sind die einzigen Zellen, die ihre genetische Information an die nächste Generation weitergeben. Gerade deswegen muss ihre DNA besonders geschützt werden. Gefahr droht hier weniger von außen als von innen: DNA-Abschnitte aus dem eigenen Genom, Transposons oder springende Gene genannt, können sich im Genom parasitisch vermehren. Julius Brennecke vom IMBA erforscht einen auf RNA-Interferenz aufbauenden Schutzmechanismus in Fliegen-Keimzellen. Obwohl die DNA der Fruchtfliege Drosophila melanogaster bereits seit dem Jahr 2000 entschlüsselt ist, gibt es viele offene Fragen, die vor allem Funktion und Regulierung der etwa 15.000 Gene betreffen. Mit der Erforschung der RNA-Interferenz (RNAi) sieht man hier allmählich klarer. RNAi ist ein universal wirksamer Prozess, mit dessen Hilfe Gene reversibel stillgelegt werden können. Das Grundprinzip: Messenger-RNA eines zum falschen Zeitpunkt angeschaltetem oder in unpassendem Ausmaß aktiven Gens wird in einer ausgeklügelten Signalkaskade erkannt und zerschnitten. Kleine RNAs, die im eigenen Genom codiert sind, spielen dabei eine große Rolle. Sie arbeiten zu diesem Zweck mit komplexen Enzymen zusammen. Julius Brennecke, seit 2009 Gruppenleiter am IMBA - Institut für Molekulare Biotechnologie der ÖAW, hat sich schon als Doktoratsstudent in Heidelberg für die vielen Facetten der RNA-Interferenz interessiert. Kurze Zeit später, als Postdoc in den USA, gelang ihm der wissenschaftliche Durchbruch: In Greg Hannon's Labor konnte er nachweisen, wie der Keimzellen-spezifische Piwi-RNAi-Signalweg an der Stilllegung schädlicher Transposons beteiligt ist. Das Schädliche an diesen "springenden Genen" ist, dass sie sich nicht den Lebensfunktionen des gesamten Organismus unterordnen. Ihnen geht es - ähnlich wie Viren - darum, sich selbst zu vermehren und oft sogar genomweit auszubreiten. Sie codieren den für ihre Aktivitäten nötigen Enzymapparat, aber kleine RNAs knacken diesen Code mit ihrer eigenen Basensequenz! Durch den Keimzellen-spezifischen Piwi-Signalweg wird die Aktivität der Transposons in Insekten wie auch in Wirbeltieren bis hin zum Menschen kontrolliert. Wenn man ihn genetisch ausschaltet, sind Fliegen wie Mäuse steril. Strategien gegen springende Gene "Eines der spannendsten Themen in unserem Labor ist es, wie die kleinen RNAs aus den richtigen DNA-Abschnitten gebaut werden", erzählt Julius Brennecke. So viel ist jetzt schon klar: Die Wissenschafter(innen) haben herausgefunden, dass verschiedenste Transposons in bestimmten Abschnitten des Genoms gehäuft vorkommen und regelrechte "Transposon-Friedhöfe" bilden. Von hier werden quasi auf Vorrat RNA-Abschriften von vorn nach hinten und umgekehrt gemacht. Zirkuliert nun eine messenger-RNA von einem aktiven Transposon, wird sie mit großer Wahrscheinlichkeit von einer komplementären Abschrift aus dem Transposon-Friedhof erkannt. Das ist das Startsignal für den RNAi-Signalweg, der schließlich verhindert, dass das vom Transposon codierte Protein gebildet wird. Organisationsprinzipien komplexer Reaktionsketten In einer Zelle läuft vieles über Protein-Protein-Wechselwirkungen, wo Struktur und Ladung der beteiligten Proteine passen müssen. Basenpaarungen, wie sie zwischen komplementären DNA und RNA-Strängen vorkommen sind ein weiteres Organisationsprinzip. Im Prinzip geht alles Schritt für Schritt - jedes Produkt wird an den nächsten Reaktionspartner "ausgehändigt" und dennoch ist die Komplexität phänomenal: Allein von den kleinen RNAs gibt es in einer Fliegen-Keimzelle mehrere Hunderttausend, vielleicht sogar Millionen. Um diese Abläufe transparent zu machen, müssen Genetiker, chemisch versierte Molekularbiologen, Strukturbiologen und Bioinformatiker (gut organisiert) zusammen arbeiten. Fragen für die Zukunft Die Sequenzierungstechnologie hat sich in den letzten Jahren exponentiell entwickelt. Dank der engen Zusammenarbeit mit dem benachbarten Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie (IMP) verfügt das IMBA über Zugang zu den modernsten Sequenziermethoden, die momentan existieren. Nicht zuletzt deshalb können sich Julius Brennecke und sein Team an die Klärung immer komplexerer Zusammenhänge wagen. Welche Signale garantieren den reibungslosen Ablauf während der RNA-induzierten Stilllegung der Transposons? Und wo in der Zelle spielen sich diese Prozesse ab? Das Ablesen von der DNA passiert sicherlich im Zellkern, das Zerschneiden der unerwünschten messenger-RNA aber im Zytoplasma. Wie der Transport bewerkstelligt wird, ist beispielsweise noch unklar. RNAi-Forschung am IMBA Das IMBA hat die RNAi-Forschung als einen von drei Schwerpunkten definiert. Außer Julius Brennecke forschen Javier Martinez und Kazufumi Mochizuki an RNAi. Sie untersuchen diesen facettenreichen Regulations-Mechanismus an Säugerzellen, Mäusen und an Wimpertierchen. Darüber hinaus hat sich RNAi zudem als Werkzeug etabliert, um Gene zu Untersuchungszwecken gezielt auszuschalten. Kontakt: Dr. Julius Brennecke IMBA - Institute of Molecular Biotechnology GmbH Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW) 1030 Wien, Dr. Bohr-Gasse 3 T + 43 1 79044 julius.brennecke@imba.oeaw.ac.at www.imba.oeaw.ac.at Februar 2010
		Interview mit Julius Brennecke Strukturelle Regulierung der Genaktivität