unileben magazin ausgabe 03'2010

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Foto: Kunz

Es grünt sehr grün, wenn Moose die richtige Grundlage gefunden haben. Foto: Fotolia

Dr. Marco Vervliet Scheebaum vom „International Moss Stock Center“ am Lehrstuhl von Ralf Reski befördert die Moospflänzchen in den Kälteschlaf. Foto: Kunz

Prof. Dr. Ralf Reski
(51) studierte Biologie, Chemie und Erziehungswissenschaften an den
Universitäten Gießen und Hamburg. In Hamburg
wurde er 1990 im Arbeitsbereich Genetik promoviert und habilitierte sich dort 1994 in Allgemeiner Botanik. 1999 wurde er als Professor an die Universität Freiburg berufen, wo er den neu gegründeten Lehrstuhl für Pflanzenbiotechnologie bekam. Seit 2004 lehrt er ebenfalls an der Ecole supérieure de biotechnologie Strasbourg (ESBS). Reski ist Leitender Wissenschaftler zweier von der Exzellenzinitiative geförderter Einrichtungen: der Spemann Graduiertenschule für Biologie und Medizin (SGBM) und dem Exzellenzcluster Zentrum für Biologische Signalstudien (BIOSS). Foto: Kunz

Zwergmoleküle legen Genschalter um

Biologen entdecken mithilfe von Moos den direkten Einfluss der micro-RNA auf die DNA

Der kleine Bruder zeigt Muskeln: Winzige Ribonukleinsäuren (RNA) schalten Gene ab – direkt an ihrem großen Bruder, der DNA. Das haben Freiburger Biologen um Privatdozent Dr. Wolfgang Frank und Prof. Dr. Ralf Reski in Moospflanzen entdeckt. Dabei galten RNA lange nur als Handlanger der DNA. mRNA durften Abschriften von Abschnitten des Erbguts transportieren. tRNA und rRNA hatten gemeinsam mit Proteinen nach diesen Bauplänen Eiweiße zusammenzusetzen. Dann zeigte sich aber, dass manche RNA chemische Reaktionen katalysieren. Andere regulieren die Proteinbiosynthese. Und nun legen kurze, so genannte microRNA (miRNA) sogar Genschalter an der DNA um.

Frank und Reski veröffentlichten diesen neuartigen Regulationsweg gerade in der renommierten Fachzeitschrift „Cell“. Beschrieben wurden miRNA erstmals Anfang der 1990er-Jahre. 1998 deckten US-Forscher auf, dass im Fadenwurm C. elegans kurze RNA über der DNA entsprechende Sequenzabschnitte die Regulation einzelner Messenger-RNA (Boten-RNA) beeinflussen und die Expression bestimmter Gene dadurch verhindern. Für diese Entdeckung der RNA-Interferenz erhielten sie den Nobelpreis – nach acht Jahren. „Der kurze Zeitraum zeigt, welche Bedeutung die Fachleute in kleinen RNA sehen“, sagt Reski. Seine Arbeitsgruppe hat die Zwergmoleküle nun erneut zu RNA-Stars gemacht. miRNA bestehen aus etwa 20 Bausteinen. Die Abfolge der Nukleotide, also die Sequenz einer miRNA, passt zu einer bestimmten mRNA. Über die sich entsprechenden Sequenzen erkennt die miRNA ihren Partner. Sie binden aneinander und bilden einen Komplex. Seine Anwesenheit blockiert bei Tieren die Protein-Biosynthese der mRNA. Dagegen zerschneidet der Komplex in Pflanzen die Ziel-mRNA . In beiden Fällen entsteht kein Protein.

Auf diese Art regulieren miRNA die Biosynthese von Proteinen von 20 Prozent aller mRNA in Tieren und Pflanzen. Dazu brauchen sie die so genannten DICER-Proteine. „Während Tiere in der Regel nur ein DICER-Gen und -Protein haben, besitzen Pflanzen meist vier davon“, sagt der Biologe.

Liebling der Forscher: Das Kleine Blasenmützenmoos

Reski und Frank wollten an ihrem Lieblingsforschungsobjekt, dem Kleinen Blasenmützenmoos „Physcomitrella patens“, herausfinden, welche Aufgaben die verschiedenen DICER-Proteine erfüllen. Dazu eignet sich P. patens bestens: Die Mooszellen tauschen effizient DNA-Stücke gegeneinander aus, wenn diese sich entsprechende Abschnitte haben. Mit der homologen Rekombination, bei der sich DNA-Abschnitte von einem Chromosom zum anderen bewegen können, findet eine Neuorientierung von genetischem Material statt. Allerdings nur, wenn in der DNA-Sequenz möglichst viele Übereinstimmungen bestehen. Damit können die Freiburger Biologinnen und Biologen gezielt neue Gene in ihre Pflanzen einschleusen sowie vorhandene Gene verändern oder entfernen. Knockout-Moose oder Null-Mutanten, denen ein Gen fehlt, entwickeln sich häufig anders als vollständige Organismen. An den Unterschieden lässt sich erkennen, welche Funktion das entfernte Gen besitzt.

P. patens hat noch weitere Vorteile: Das Moos ist haploid, das heißt, es besitzt nur eine Ausgabe eines Gens statt zwei Genvarianten wie die meisten Organismen. Deshalb zeigen sich Genveränderungen beim Moos recht schnell. Zudem wächst es im Fotobioreaktor unter kontrollierten, immer gleichen Bedingungen. Umwelteinflüsse und Schädlinge können die Ergebnisse von Experimenten also nicht verfälschen. Ebenso kann aus dem geschlossenen Reaktor nichts nach außen dringen. Es besteht keine Gefahr, dass veränderte Moose oder ihre Produkte freigesetzt werden. Reski will mit den Moosen sogar Arzneimittel herstellen: „Es ist mein Traum, einmal ein im Moos produziertes Medikament in der Apotheke kaufen zu können.“ Das ist noch Zukunftsmusik. „Ich finde es aber toll, dass wir nach langer Zeit mit dem Moos einen weiteren Modellorganismus für die Biologie entwickelt haben“, betont er.

Moos-Bibliothek im Tiefkühlschrank

Über Jahre hinweg hat Reskis 30-köpfige Arbeitsgruppe die homologe Rekombination optimiert und mit 75.000 Mutanten eine funktionelle Genomanalyse von P. patens durchgeführt. 2008 hat Reski für 10 Millionen US-Dollar das komplette Moos-Genom sequenzieren lassen. Schließlich fanden die Freiburger noch eine Möglichkeit, Moospflanzen dauerhaft in flüssigem Stickstoff aufzubewahren. So entstand vor Ort das International Moss Stock Center – eine Referenz-Bibliothek, in der tiefgekühlte P. patens, Mutanten und Ökotypen aus aller Welt lagern. „Das war der letzte Punkt, der fehlte, um das Moos endgültig als Modellorganismus zu etablieren“, freut sich Reski.

Nicht minder freut die beiden Wissenschaftler der Erfolg mit den Moos-miRNA. Zusammen mit ihren Kooperationspartnern vom Tübinger Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie untersuchten sie zunächst Knockout-Moose für die nahezu identischen DICER-Untereinheiten 1a und 1b. „Das Moos ohne die Untereinheit 1a ist fast nicht lebensfähig. Das entsprach unseren Erwartungen“, sagt Frank. Die Mutante enthält keine reifen miRNA. Überraschender fand er die Moos-Mutanten, denen DICER 1b fehlt: „Sie sollten eigentlich auch keine miRNA bilden – taten sie aber doch!“ Bruchstücke zerschnittener Ziel-mRNA konnte er dennoch nicht nachweisen. Damit war klar: Die Untereinheiten haben verschiedene Aufgaben. 1a ist für die Reifung der miRNA notwendig und 1b für das Zerschneiden der Ziel-mRNA.

Dann folgte die nächste Überraschung: Die 1b-Null-Mutanten ohne RNA-Schere enthielten viel zu wenige mRNA – nur ein Prozent der normalen Menge. „Wir konnten für fünf Ziel-mRNA zeigen, dass ihre Transkription gestört ist“, sagt Frank. Gemeinsam mit seinen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern Basel Khraiwesh, M. Asif Arif und Gotelinde Seumel entdeckte er, dass an den mRNA-Genen in 1b-Null-Mutanten viel mehr Methylgruppen sitzen als im natürlichen Moos. Solche Gruppen blockieren den Transkriptionsapparat durch Methylierung. Das heißt, er kann Gene, die durch Methylgruppen modifiziert werden, nicht ablesen und keine entsprechenden mRNA herstellen. „Unsere Idee war, dass das mit den miRNA-mRNA-Komplexen zu tun hat“, erzählt der Forscher. Weil die Komplexe nicht gespalten werden, häufen Mutanten ohne DICER 1b sie an. Dasselbe geschieht, wenn natürliche Moose, die Wildtypen, künstliche miRNA im Überschuss produzieren. Die Freiburger Biologen stellten fest, dass anschließend immer genau jene Gene durch Methylierung abgestellt werden, die die zugehörigen mRNA kodieren. Eine kleine Sensation.

Durch Moos-Forschung menschliche Depressionen erklären

Der Mechanismus funktioniert selbst unter lebensechten Bedingungen: Wenn Salz oder Trockenheit die Moose belastet, produzieren sie viel Abscisinsäure. Mit diesem Hormon können Forscherinnen und Forscher Moose stressen. Um ihr Überleben zu sichern, bilden die Moose dann widerstandsfähige Dauersporen. Sie fahren ihren Stoffwechsel herunter und stellen die Fotosynthese ein. Dabei nimmt die Menge gewisser mRNA schnell ab, die ihrer entsprechenden miRNA nimmt dagegen ebenso zu wie die Methylierung der Ziel-mRNA-Gene. „Die Pflanzen brauchen die mRNA ja sowieso nicht mehr“, erklärt Frank. Statt sie dauernd zu erzeugen, nur um sie dann zu zerschneiden, dreht das Moos den Nachschub auf DNA-Ebene ab. Frank und Reski glauben, dass sie einen neuen, generellen Mechanismus gefunden haben, mit dem Pflanzen und Tiere rasch auf Veränderungen und Stress reagieren. „Wir müssen noch testen, ob er auf andere Organismen übertragbar ist“, sagt Reski. Eine Rolle spielt die DNA-Methylierung in Menschen, Mäusen und Ratten auf jeden Fall: Sie ändert sich bei Stress und Traumata im frühen Kindesalter. Die Tiere verhalten sich zeitlebens ängstlich, und Menschen erkranken als Erwachsene häufiger an Depressionen. Die Methylgruppen beeinflussen also die Aktivität von Genen.

Die Epigenetik, die sich mit diesen übergeordneten Steuerungsmechanismen der Genregulation befasst, hat in den vergangenen Jahren enorm an Bedeutung gewonnen: Methylierungsmuster können stabil sein und werden zum Teil wahrscheinlich sogar vererbt. „Ich erwarte aber, dass die Methylierungen, die wir beobachtet haben, reversibel sind“, sagt Wolfgang Frank. Allerdings vermuten er und Ralf Reski, dass es auch in P. patens stabile, erworbene Methylierungsmuster gibt. Da warten weitere Aufgaben auf die Freiburger Biologen. Ihre erfolgreiche Moos-Forschung wird wohl noch einige erstaunliche Ergebnisse liefern.

von Jürgen Schickinger