Gene sind wichtig, aber ebenso wichtig ist ihre Regulation. Dabei spielt ein Signalweg, der als RNA-Interferenz bekannt wurde, eine bedeutende Rolle. Ein Aspekt der RNA-Interferenz ist ihr Einfluss auf die 3D-Architektur der DNA, die ihrerseits die Aktivität von Genen beeinflusst. Marjori und Antonius Matzke sowie Werner Aufsatz vom GMI untersuchen die Dynamik dieser Regulierungsprozesse. Jede Zelle enthält im Kern das gesamte Erbgut. Allerdings ist der Zugang zu diesem Informationsspeicher sehr selektiv geregelt. Je nach Entwicklungsstand, nach Gewebe und abhängig von den Umweltbedingungen können unterschiedliche Informationen abgerufen und umgesetzt werden. Wie aber wird die selektive Verfügbarkeit geregelt, und wie wird sie im Lauf des Lebens dynamisch verändert? Dieser Frage gehen Marjori und Antonius Matzke sowie Werner Aufsatz und ihre Teams am GMI - Gregor-Mendel-Institut für molekulare Pflanzenbiologie der ÖAW nach. Sie konzentrieren sich auf die Regulierungsprozesse im Zellkern - genauer gesagt: auf solche in Zellkernen, die sich gerade nicht teilen. Der Arbeitskern Außerhalb der Teilungsphase spielt sich das "Alltagsleben" einer Zelle ab: Enzyme, Bau- und Inhaltsstoffe werden synthetisiert, um- und abgebaut. In dieser Phase sieht der Zellkern, der so genannte Arbeitskern, wie ein Knäuel aus. Die DNA, die zum Zeitpunkt der Zellteilung als charakteristisch geformte Chromosomen vorliegt, ist in der Zeit danach ein locker strukturierter Doppelstrang - von Histon-Proteinen und funktionellen Gruppen in einer dynamischen Struktur gehalten. Man spricht anstatt von Chromosomen, vom Chromatin und seiner 3D-Architektur. Und dieser Architektur und ihrer Dynamik gilt das Interesse der GMI-Forscher(innen). Von der Struktur des Chromatins hängt es nämlich ab, ob genetische Information abgelesen werden kann oder ob sie einem "Kopierschutz" unterliegt. Kopierschutz und Stilllegung durch RNA-Interferenz RNA-Interferenz (RNAi) hat sich als spezifisch wirksamer Mechanismus zum Stilllegen von Genen erwiesen. Marjori und Antonius Matzke, Gruppenleiter am GMI, gehören zu den Pionieren der Erforschung dieses Signalweges und seiner Komponenten bei Pflanzen. RNAi ist nicht auf Pflanzen beschränkt, sondern hat sich in unterschiedlichen Varianten als universal wirksam herausgestellt. Sie setzt entweder direkt an der Struktur der DNA im Zellkern an oder später - gleichsam auf halbem Weg zwischen Gen und Protein - an der messenger-RNA im Zytoplasma. Das Grundprinzip: Kleine, zunächst doppelsträngige RNA-Sequenzen kooperieren mit Effektor-Proteinen. Sie dirigieren - ihrer Basensequenz entsprechend - die Effektor-Proteine zu komplementären RNA- oder DNA-Abschnitten, an denen dann die Effektor-Proteine aktiv werden: Wenn die kleinen RNAs im Zellkern fündig werden, vermitteln sie die Modifikation des Chromatins durch funktionelle Gruppen. Im Gegensatz dazu vermitteln sie im Zytoplasma das Zerschneiden von aktuell unerwünschter messenger-RNA. Der große Vorteil dieser Art der Regulierung der Genaktivität besteht darin, dass die Basensequenz in der DNA unverändert bleibt. Die Stilllegung kann also bei Bedarf rückgängig gemacht werden. In vivo beobachten Marjori und Antonius Matzke, sowie Werner Aufsatz, ein ehemaliger Postdoc in der Matzke-Gruppe, der mittlerweile eine eigene Gruppe am GMI leitet, haben für ihre Fragestellungen ausgeklügelte pflanzliche Modellsysteme entwickelt: Zellkulturen der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana mit definierter Genausstattung machen die Untersuchungsergebnisse reproduzierbar, und fluoreszierende Markierungen geben Aufschluss über aktuelle Zellstoffwechselprodukte. Auf diese Art und Weise können die Wissenschafter(innen) an lebenden Zellen untersuchen, wie sich die Chromatin-Struktur ändert und ob Gene dabei stillgelegt werden. Das Spezialgebiet der RNAi-Forscher(innen) am GMI sind die Enzymkomplexe, die auf Vermittlung kleiner RNAs die Chromatin-Struktur verändern. Sie haben bereits mehrere identifiziert und ihre Einbindung in die Signalwege beschrieben. Die Enzymkomplexe katalysieren die Methylierung von DNA, beziehungsweise die Deacetylierung von Histon-Proteinen. Beide Modifikationen beeinflussen die Chromatin-Struktur und erschweren oder unterbinden das Ablesen der DNA. Unter Stress beobachten Als nächstes interessiert die Wissenschafter(innen) am GMI, allen voran Werner Aufsatz und sein Team, ob belastende Umweltbedingungen den RNAi-Pfad im Kern beeinflussen und beispielsweise den Kopierschutz an bestimmten Abschnitten der DNA lockern oder verstärken. Um hier Licht ins Dunkel zu bringen, vergleicht Aufsatz Arabidopsis-Mutanten, denen Komponenten der RNA-vermittelten Chromatin-Modifikation fehlen mit Wildtyp-Pflanzen. Erste Untersuchungsergebnisse lassen auf ziemlich komplexe Regulierungsmechanismen schließen, bei denen Chromatin-Modifikationen nur ein Aspekt sind. Werner Aufsatz muss deswegen die vielfältigen Verzahnungen verschiedenster Regulationsmöglichkeiten im Auge behalten. Anders als die klassische Vererbungslehre von Gregor Mendel nahelegt, können Umweltbedingungen über RNAi vererbbare Langzeiteffekte auslösen. Unter bestimmten Umständen werden die strukturellen Regulierungsmuster an Tochterzellen und sogar an die nächste Generation weitergegeben. Diese Aspekte erforschen Werner Aufsatz und sein Team im Rahmen des Österreich weiten Kooperationsprojektes GEN-AU ( www.gen-au.at ). Kontakt: GMI - Gregor-Mendel-Institut für Molekulare Pflanzenbiologie GmbH Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW) 1030 Wien, Dr. Bohr-Gasse 3 www.gmi.oeaw.ac.at Dr. Marjori und Dr. Antonius Matzke T +43 1 79044-9810 und 9811 marjori.matzke(at)gmi.oeaw.ac.at antonius.matzke(at)gmi.oeaw.ac.at Dr. Werner Aufsatz T +43 1 79044-9820 werner.aufsatz@gmi.oeaw.ac.at Februar 2010
		RNA-Interferenz schützt Keimzellen Die Suche nach der Achillesferse von Krebszellen