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Neue Möglichkeiten für das Protein-Engineering?

„Schredder“ mit Spezifität: Dicer-Proteine arbeiten spezifischer als gedacht

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Die zelluläre Kommunikation ist insbesondere in Eukaryonten, zu denen auch wir gehören, eine hochkomplexe Angelegenheit. Zahlreiche Botenstoffe sind dabei essenziell. So auch kleine RNA-Moleküle, die von Dicer-Proteinen durch „Schreddern“ größerer Moleküle hergestellt werden. Dieses Zerschneiden doppelsträngiger RNA scheint jedoch weit weniger wahllos zu sein, als bisher angenommen. Diese neue Erkenntnis, die Prof. Dr. Mariusz Nowacki von der Universität Bern im LP-Interview erläutert, könnte neue Möglichkeiten für das Protein-Engineering eröffnen.

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Seine Forschungsarbeiten könnten neue Einblicke in die Regulation der Zellkommunikation geben: Prof. Dr. Mariusz Nowacki vom Institut für Zellbiologie der Universität Bern.
Seine Forschungsarbeiten könnten neue Einblicke in die Regulation der Zellkommunikation geben: Prof. Dr. Mariusz Nowacki vom Institut für Zellbiologie der Universität Bern.
(Bild: Universität Bern)

LP: Der englische Begriff „Dicer“ lässt sich nicht eindeutig übersetzen – je nach Kontext kann dabei ein „Würfelspieler“ oder auch ein „Würfelschneider“ gemeint sein. Herr Prof. Dr. Nowacki, was versteht man also unter Dicer-Proteinen, und was sind ihre Aufgaben im Zellapparat?

Prof. Dr. Mariusz Nowacki: Dicer-Proteine sind Enzyme, welche lange RNA in kleinere RNA-Moleküle zerschneiden. Dabei erkennen sie die Enden von doppelsträngiger RNA (dsRNA) und zerschneiden diese in immer gleich große Stücke, die „kleinen“ sRNAs (englisch small RNAs). Diese sRNAs haben verschiedene Aufgaben wie die Abwehr fremder Nukleinsäuren oder die Regulation von Genen. Im Pantoffeltierchen werden sRNAs hergestellt, um bestimmte DNA-Stücke aus ihrem Genom zu entfernen.

LP: Zu welchem Zweck?

Prof. Dr. Nowacki: Das Pantoffeltierchen besitzt in seiner Zelle zwei Kerne, wobei der eine Kern die Keimbahn darstellt und der Andere das somatische Genom. Die DNA der Keimbahn enthält Transposons und Transposon-ähnliche DNA-Elemente, welche ausgeschnitten werden müssen, um ein funktionsfähiges somatisches Genom zu bilden. Bei diesem Prozess spielen die sRNAs eine wichtige Rolle. Werden diese nämlich nicht produziert, werden die Transposon-ähnlichen Elemente nicht korrekt ausgeschnitten und die Zelle stirbt. Daher besitzen die Dicer-Proteine eine essenzielle Funktion im Pantoffeltierchen.

LP: Ihre Forschungsergebnisse zeigen, dass diese sRNAs beim Pantoffeltierchen offenbar keine zufälligen Produkte sind und eine wichtige Rolle bei der Regulation der Zellkommunikation spielen. Dicer-Proteine scheinen hier also keine „Würfelspieler“ zu sein, um bei der Übersetzung zu bleiben?

Prof. Dr. Nowacki: Die meisten Elemente, welche im Pantoffeltierchen mithilfe der sRNAs erkannt und eliminiert werden, besitzen an ihren
Enden eine spezifische Nukleotidsequenz. Unsere Forschungsergebnisse zeigen, dass die Dicer-Proteine nicht sRNAs mit zufälligen Sequenzen herstellen, sondern bevorzugt sRNAs produzieren, welche zu diesen Endsequenzen passen. Damit stellt die Zelle sicher, dass die sRNAs genau die Enden der DNA-Elemente erkennen und diese somit präzise ausgeschnitten werden. Diese Präzision ist wichtig, da sich die meisten Transposon-ähnlichen DNA-Elemente in kodierenden Teilen des Genoms befinden. Ungenaues Ausschneiden würde daher zu Frame­shifts und somit zur Produktion von nicht-funktionellen Proteinen führen. Unsere Ergebnisse zeigen einen neuen Mechanismus für Dicer-Proteine, da diese normalerweise einfach die Enden der dsRNA erkennen und binden, jedoch nicht spezifische Sequenzen. Der Dicer würfelt hier also nicht, nein.

LP: Neben dem wichtigen Erkenntnisgewinn, dass Dicer-Proteine ihre Aufgaben zumindest im Pantoffeltierchen viel spezifischer ausführen, als angenommen – könnten Ihre Forschungsergebnisse künftig auch von praktischem Nutzen sein?

Prof. Dr. Nowacki: Die Arbeit am Pantoffeltierchen hat gezeigt, dass Dicer-Proteine auch RNA-Sequenzen erkennen können und diese bevorzugt prozessieren. Dies ist eine Fähigkeit, die man bisher nur von Restriktionsenzymen kannte, welche spezifische DNA-Sequenzen erkennen. In Zukunft könnte man die Dicer-Proteine so manipulieren, dass sie eine gewünschte Nukleotidsequenz erkennen können und somit sRNAs herstellen, welche diese Sequenzen enthalten. Man könnte daher ein Restriktionsenzym für RNA herstellen und so neue Möglichkeiten für das Protein-Engineering eröffnen.

LP: Wie würde man dabei vorgehen?

Prof. Dr. Nowacki: Dafür müsste man die Protein-Domänen oder die Aminosäuren, welche bei der Sequenzerkennung beteiligt sind, identifizieren. Daher müsste man die Struktur der Proteine untersuchen und herausfinden, welche Aminosäuren des Proteins mit der RNA interagieren.

Dies könnte man mithilfe der Protein-Kristallisation oder Cryo-EM erreichen. Die identifizierten Aminosäuren, könnten danach verändert werden, um zu testen, ob man die Sequenzerkennung der Dicer-Proteine verändern kann.

Herr Prof. Dr. Nowacki, vielen Dank für das Gespräch.

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