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RNA-Editing von Pflanzengenen Redakteure in der Pflanzenzelle

| Redakteur: Christian Lüttmann

Pflanzen haben mit Fehlern im Gencode zu kämpfen, die sie mit einem scheinbar unnötig umständlichen Mechanismus ausbessern. Forscher der Universität Bonn haben nun zu einem tieferen Verständnis dieses Mechanismus beigetragen, indem sie ihn in ein Bakterium übertragen haben.

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Pflanzen begegnen DNA-Schäden mit einem scheinbar umständlichen Mechanismus (Symbolbild).
Pflanzen begegnen DNA-Schäden mit einem scheinbar umständlichen Mechanismus (Symbolbild).
(Bild: Pixabay/LionFive, Wikipedia/Wiki-Fan)

Bonn – Die DNA ist wohl das Kernstück des Lebens. Aber wegen ihrer Komplexität sind die gewundenen Makromoleküle auch fehleranfällig. Bei Pflanzen ist vor allem die DNA in den Mitochondrien betroffen. Die Pflanze muss diese Fehler verbessern, ansonsten würde ihre Energieversorgung zusammenbrechen. Sie macht das auch, aber auf einem denkbar komplizierten Weg: So korrigiert sie nicht etwa die DNA, also die eigentliche Bauanleitung der Mitochondrien, sondern berichtigt stattdessen die Abschriften, die von dieser Bauanleitung hergestellt werden – die RNA. Das ist etwa so, als würde man einen fehlerhaften Rundbrief tausendfach ausdrucken und dann auf jedem dieser Ausdrucke das falsch geschrieben Wort nachträglich korrigieren.

Mehr noch: Die Redakteure, die diese Berichtigungen vornehmen, sind absolute Spezialisten. Sie erkennen meist nur einen einzigen bestimmten Fehler. Manche Pflanzen verfügen daher über 500 oder mehr verschiedene Korrekturleser. Der gesamte Mechanismus, den die Pflanze zur Fehlerkorrektur durchläuft, wird als RNA-Editing bezeichnet. „Warum es ihn gibt und wie er im Einzelnen funktioniert, ist bislang erst in Ansätzen verstanden“, sagt Prof. Dr. Volker Knoop vom Institut für Zelluläre und Molekulare Botanik der Universität Bonn.

Redakteure erkennen Fehler im Code

Eine Erklärung, wieso Pflanzen nicht direkt die DNA korrigieren, kann Knoop noch nicht geben. Aber zumindest der Beantwortung, wie das RNA-Editing im Detail funktioniert, sind er und seine Mitarbeiter nun einen Schritt nähergekommen. Dazu haben sie einige RNA-Redakteure aus dem Laubmoos (Physcomitrella patens) in das Darmbakterium E. coli übertragen. „Wir wollten herausfinden, ob sie dort die bakterielle RNA editieren“, sagt Knoops Kollegin Dr. Mareike Schallenberg-Rüdinger. „Bislang war strittig, ob sie das alleine überhaupt können oder ob sie dazu Hilfe benötigen.“

Viele Forscher gehen nämlich davon aus, dass das RNA-Editing in der Regel ein zweischrittiger Prozess ist: Zuerst müssen so genannte PPR-Proteine – die Redakteure – den Fehler in der RNA erkennen. Selbst beheben, so die landläufige Annahme, können sie den Fehler aber nicht. Dazu rufen sie eine Art RNA-Tippex zu Hilfe – ein Enzym namens Cytidin-Desaminase.

RNA-Tippex inklusive

Manche PPR-Proteine verfügen an ihrem Ende allerdings über eine bestimmte Abfolge von Aminosäuren, von denen man weiß, dass sie theoretisch als Cytidin-Desaminase wirken können. Diese Proteine tragen also möglicherweise ihr Fläschchen Tippex immer bei sich. „Tatsächlich konnten wir zeigen, dass diese Gruppe von PPR-Proteinen die RNA von E. coli editieren kann“, sagt Schallenberg-Rüdinger. „Sie benötigt dazu also keine separate Desaminase.“ Wenn die Wissenschaftler dagegen auch nur eine der wichtigen Tippex-Aminosäuren veränderten, büßte das PPR-Protein seine Korrektur-Fähigkeit ein.

Den Forschern ist es zudem gelungen, PPR-Proteine so zu programmieren, dass sie spezifisch bestimmte Fehler erkannten. „Experimente wie diese tragen dazu bei, dass wir das RNA-Editing besser verstehen“, sagt Knoop. „Dabei hilft uns vor allem auch der Modellorganismus E. coli, denn in Pflanzen wären die Versuche nur mit viel größerem Aufwand durchzuführen.“

Mutationen sammeln als Evolutionsvorteil?

Das Team (v.l.): Volker Knoop, Elena Lesch, Bastian Oldenkott, Yingying Yang und Mareike Schallenberg. Sie erforschen das so genannte RNA-Editing. Dabei wird der RNA-Baustein Cytidin chemisch in Uridin umgewandelt.
Das Team (v.l.): Volker Knoop, Elena Lesch, Bastian Oldenkott, Yingying Yang und Mareike Schallenberg. Sie erforschen das so genannte RNA-Editing. Dabei wird der RNA-Baustein Cytidin chemisch in Uridin umgewandelt.
(Bild: Simon Zumkeller/Uni Bonn)

Mittelfristig hoffen die Wissenschaftler auch zu klären, warum sich diese aufwändige Redaktions-Maschinerie im Laufe der Evolution überhaupt gebildet hat. Theorien dazu gibt es einige: So könnte das RNA-Editing Pflanzen erlauben, Mutationen gewissermaßen „zu sammeln“. So können sich vielleicht im Laufe der Zeit Kombinationen vieler verschiedener Veränderungen bilden, die einzeln schädlich oder gar tödlich wären, in ihrer Summe der Pflanze jedoch einen Überlebensvorteil bieten. Der umständliche Prozess hätte in solch einem Fall durchaus einen wichtigen Sinn: als Spielwiese der Evolution.

Originalpublikation: Bastian Oldenkott, Yingying Yang, Elena Lesch, Volker Knoop und Mareike Schallenberg-Rüdinger: Plant-type Pentatricopeptide Repeat proteins with a DYW domain drive C-to-U RNA editing in Escherichia coli. Communications Biology volume 2, Article number: 85 (2019); DOI: 10.1038/s42003-019-0328-3

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