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Tag: mRNA

Biomolekül des Monats: nicht-codierende RNA

Spätestens seit Aufkommen der mRNA-Impfstoffe haben viele zumindest eine grobe Ahnung, was RNA ist. Aber es gibt nicht nur die mRNA, denn eigentlich ist die mRNA – wenn auch die prominenteste der RNA-Arten – deutlich in der Minderheit. Tatsächlich sind 98% aller RNA von Eukaryoten (das heißt Lebewesen mit Zellkern) sogenannte nicht-codierende RNA. Daher sind die nicht-codierenden RNAs meine Biomoleküle des Monats, und in diesem Text werden wir uns diese zu wenig beachteten 98% der RNA etwas genauer anschauen.

mRNA und Translation

Aber beginnen wir doch trotzdem kurz mit der mRNA. Das „m“ steht hier für messenger und genau das ist die mRNA. Sie transportiert die Information über den Aufbau von Proteinen, die auf der DNA gespeichert ist, zu den Ribosomen. Die wiederum übersetzen diese Information dann in einem Translation genannten Prozess in ein Protein. Daher ist die mRNA auch codierende RNA – sie codiert Informationen für den Aufbau von Proteinen.

Für die Translation werden klassischerweise noch zwei anderen Typen von RNA gebraucht: die ribosomale rRNA und die transfer- tRNA. Das sind schon die ersten beiden nicht-codierenden RNAs, denn sie tragen keine Information über die Aminosäuresequenz eines Proteins. Stattdessen ist die rRNA Bestandteil der Ribosomen und die tRNA transportiert die Aminosäuren zum Ribosom und macht die eigentliche „Übersetzungsarbeit“ von mRNA zu Protein.

Dreidimensionale Struktur einer tRNA . Ganz unten, an der “Spitze” befindet sich das Anticodon, das an die mRNA bindet und eine bestimmte Abfolge von drei Basen erkennt (S. cerevisiae Phe-tRNA, PDB 1EHZ)

“Die RNA ist keine Wäscheleine”

Bevor wir uns die anderen nicht-codierenden RNAs anschauen, müssen wir kurz klären, was RNA eigentlich ist: RNA ist eine Nukleinsäure – die Abkürzung RNA steht für ribonucleic acid – und besteht wie die DNA aus einem Zucker-Phosphat-Rückgrat und einer Abfolge von Basen, die bei der mRNA die Information codiert.

Der Unterschied zur DNA besteht in dem Zucker – Ribose statt 2‘-Desoxyribose – und in einer Base – Uracil statt Thymin. Einige Arten von RNA beinhalten aber tatsächlich noch andere, seltenere Basen. Außerdem ist RNA keine Doppelhelix sondern liegt typischerweise einzelsträngig vor. Aber, wie mein Biolehrer in der Schule immer sagte, „die RNA ist keine Wäscheleine“. Stattdessen bildet auch sie lokale Strukturen und Basenpaarungen mit komplementären Basen (U und A sowie C und G) des gleichen oder eines anderen RNA-Strangs.

Aufbau der RNA aus Zucker-Phosphat-Rückgrat und Basen

Und RNAs, die an komplementäre RNA-Stränge binden können, sind weitere wichtige nicht-codierende RNAs.

Interferenz – Kontrolle der Genexpression

Sowohl miRNAs (mi für micro) als auch siRNAs (si für small interfering) machen sich die Bindung an komplementäre mRNA zunutze, um die Genexpression – also die tatsächliche Umsetzung der genetischen Information in ein Protein – zu regulieren.

miRNAs sind genetisch codiert und nach einem relativ komplizierten Herstellungsprozess entsteht ein doppelsträngiges Stück RNA, die reife miRNA. Zusammen mit einigen Protein kann einer dieser RNA-Stränge einen miRISC genannten Komplex bilden. Die miRNA in miRISC kann jetzt an eine komplementäre Stelle in einem mRNA-Strang binden. Typischerweise findet diese Bindung in einem Teil der mRNA statt, die 3‘-untranslatierte Region genannt wird und keine Information über den Aufbau eines Proteins trägt. Die Bindung von miRNA und RISC führt dann dazu, dass der mRNA-Strang abgebaut wird, und das darauf codierte Protein wird nicht hergestellt. Das geschieht, indem die schützenden Enden der mRNA – 3‘-poly-A-Ende und 5‘-cap – entfernt werden. Ohne diesen Schutz ist mRNA in einer Zelle extrem instabil und wird sehr schnell zerstört.

RISC aus einem Protein (blau) und miRNA gebunden and eine mRNA (beides rot) (PDB 6N4O)

Da die Biologie in den allermeisten Fällen effizient ist und Mechanismen für unterschiedliche Dinge verwendet – was für uns dann oft chaotisch erscheint – ist das nicht die einzige Funktion der miRNA: Sie kann auch die Translation gebundener mRNA hemmen, oder sogar die Genexpression direkt an der DNA im Zellkern beeinflussen.

Ganz ähnlich funktioniert die siRNA. Ihre Biosynthese ist zwar etwas anders, aber auch sie bildet RISCs, die bestimmte mRNA-Stränge erkennen und diese zerstören oder anderweitig ihre Translation verhindern. Durch die komplementäre Basenpaarung der mi- oder siRNA mit ihrer Ziel-mRNA ist dieser Regulationsmechanismus sehr spezifisch.

Diese Spezifität kann man auch für die Arzneitherapie nutzen. Es ist möglich, ganz gezielt Gene, die in eine Erkrankung involviert sind, abzuschalten. Givosiran beispielsweise ist ein siRNA-basierter Arzneistoff, der zur Behandlung der akuten intermittierenden Porphyrie verwendet wird – über Porphyrien habe ich in meinem Text über Häm ein wenig geschrieben. Das gleiche Prinzip wird häufig in der Molekularbiologie verwendet: Durch das Abschalten eines bestimmten Genes kann z.B. dessen Rolle in einem biologischen Prozess untersucht werden.

Ribozyme

Obwohl das noch lange nicht alle nicht-codierenden RNAs waren, möchte ich zum Abschluss nur noch eine davon erwähnen: die Ribozyme. Ribozyme sind RNA-Moleküle, die chemische Reaktionen katalysieren können, ganz genauso wie die bekannteren und häufigeren Enzyme. Ein Beispiel habe ich weiter oben sogar schon einmal erwähnt. Denn manche rRNAs, aus der Ribosomen aufgebaut sind, besitzen katalytische Aktivität und fügen die Aminosäuren eines gerade entstehenden Proteins zusammen.

Ribozyme sind außerdem eine wichtige Stütze der RNA-Welt-Hypothese. Sie besagt, dass die frühesten Lebewesen auf RNA sowohl als Informationsspeicher als auch zur Katalyse von Reaktionen basierten. Diese Aufgaben werden in allen modernen Lebensformen vorranging von DNA bzw.  Proteinen übernommen, womit die Ribozyme eine Art „Überbleibsel“ der RNA-Welt sein könnten. (Eine sehr anschauliche, aber nicht wirklich zutreffende Beschreibung von Ribozymen wären Fossilien aus der RNA-Welt.)

Das war jetzt also ein kurzer Rundumschlag zu den 98% der RNA, die keine mRNA sind. Es gäbe – wie bei fast jedem Thema – noch so viel mehr zu sagen, aber das muss dann wohl bis zu einem anderen Blogpost warten. Und falls ihr keine neuen Beiträge mehr verpassen wollt, dann abonniert doch gerne meinen Email-Newsletter.

Nobelpreis-Spezial: Physiologie oder Medizin 2023

Es ist wieder die Zeit des Jahres, zu der die Nobelpreise verkündet werden. Den Anfang gemacht hat heute – am 02.10.23 – der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin, und ich denke, dass das Ergebnis für viele nicht sehr überraschend war. Denn gewonnen haben Katalin Karikó und Drew Weissman „für ihre Entdeckungen zu Modifikationen von Nukleobasen, die die Entwicklung von effektiven mRNA-Impfstoffen gegen COVID-19 ermöglichten“.

Die schnelle Entwicklung von Impfstoffen gegen COVID-19 während der Pandemie war ohne Frage ein unglaublicher Erfolg und hat Millionen von Menschenleben gerettet. Daher war es eigentlich auch nur eine Frage der Zeit, bis dafür auch ein Nobelpreis verliehen wird. Tatsächlich ist es aber doch recht ungewöhnlich, dass es diesen Preis so „früh“ nach der Entwicklung der Impfstoffe gibt, denn häufig vergehen nach der Leistung, die ausgezeichnet wird und der Preisverleihung deutlich mehr Jahre. Allerdings sind die Beweise, dass mRNA-Impfstoffe ein großer Erfolg und dieses Preises absolut würdig sind auch so überwältigend, dass diese Ausnahme wohl verständlich ist.

Ich persönlich hätte – nach der Argumentation von Lars Fischer in diesem Artikel – diesen Preis eher in der Kategorie Chemie gesehen, zusammen mit einer Auszeichnung für die chemische DNA-Synthese. Tatsächlich war das eine sehr häufige Prognose und jetzt bleibt es wohl spannend, wer stattdessen mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet wird.

Das war jetzt aber genug des Vorgeplänkels. Schauen wir uns endlich die Wissenschaft an, für die Karikó und Weissman diesen Preis bekommen haben.

Nukleobasen und mRNA-Modifikationen

Grundsätzlich ist es keine neue Idee, RNA oder DNA für Impfstoffe einzusetzen, da das einige Vorteile gegenüber typischen Impfstoffen aus attenuierten oder inaktivierten Viren oder auch vektor-basierten Impfstoffen bietet (von denen eine billigere Produktion nicht der Unwichtigste ist). Lange Zeit war aber die Immunogenität dieser Impfstoffe ein großes Problem, neben einigen anderen Problemen mit ihrer Effektivität. Immunogenität bedeutet, dass sie eine starke Entzündungsreaktion auslösten und damit einfach unbrauchbar für den Einsatz als Impfstoff waren.

Das liegt daran, dass unsere Zellen eine eingebaute Abwehr gegen fremde RNA besitzen. Viele Viren haben nämlich ein Erbgut aus RNA, und diese virale (aber auch bakterielle) RNA erkennen und neutralisieren zu können ist extrem wichtig für unseren Schutz vor Infektionen. Daher gibt es in unseren Zellen Rezeptoren – die toll-like Rezeptoren, kurz TLRs – die diese Aufgabe übernehmen.

Karikó und Weissman haben mit ihren Teams erkannt, dass dieser Schutzmechanismus auch von in vitro-transkribierter mRNA ausgelöst wird. Das ist mRNA, die nicht aus Zellen stammt und eben jene, die für Impfstoffe eingesetzt wird. Denn die in vitro-transkribierte mRNA ist genauso wie virale und bakterielle mRNA wenig modifiziert. Eukaryoten wie wir Menschen hingegen verändern unsere mRNA ziemlich stark. Und an diesen Veränderungen unterscheidet unser Immunsystem unsere eigene von fremder mRNA.

RNA besteht im Prinzip aus einer Abfolge von vier Nukleobasen, die an einem Rückgrat aufgereiht sind. Das sind einmal Adenin, Guanin und Cytosin, genau wie bei der DNA. Wo bei der DNA aber die Base Thymin ist, hat die mRNA stattdessen die Base Uracil. Wie gesagt werden diese Basen von unseren Zellen noch zusätzlich verändert. Die entscheidende Idee für die mRNA-Impfstoffe war es also, auch die Basen der Impfstoff-mRNA zu verändern.

Karikó und Weissman entdeckten, dass die Modifikation von Uridin die Immunreaktion auf die in vitro-transkribierte mRNA fast vollständig verhinderte, und dass der Austausch von Uridin zu der Base Pseudouridin zusätzlich noch die Proteinexpression deutlich erhöhte. Dadurch entstehen nicht nur weniger Entzündungsreaktionen, sondern die Effektivität der Impfstoffe wurde auch erhöht, weil mehr des Antigens, für das die Impfstoff-mRNA codiert, hergestellt wird.

Strukturen von Uridin, Pseudouridin und N1-Methylpseudouridin (Kim et al. 2022, DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111300)

Außerdem fanden die beiden Preisträger:innen heraus, dass bei der Herstellung der Impfstoff-mRNA auch kleine Mengen an doppelsträngiger RNA entstehen, die ebenfalls von toll-like Rezeptoren erkannt wird. Karikó und ihr Team entwickelten daraufhein eine Technik, um diese Verunreinigungen mittels HPLC zu entfernen.

Damit hatte der Siegeszug der mRNA-Modifikation für Impfstoffe begonnen, und auch die beiden mRNA-Impfstoffe gegen COVID-19 von BioNTech und Moderna enthalten diese Modifikationen. Bei ihnen kommt vor allem die modifizierte Base N1-Methylpseudouridin zum Einsatz, die sich als noch effektiver als Pseudouridin herausstellte.

Ich hoffe, das hat euch einen kleinen Überblick über die Wissenschaft hinter diesem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin gegeben. Wenn ihr noch mehr erfahren wollt, kann ich euch wie immer die sehr ausführlichen Advanced Information auf der Webseite der Nobelpreise empfehlen, oder auch dieses Review zu mRNA-Impfstoffen von 2021.

Natürlich wird es auch zu dem Chemie-Nobelpreis 2023 einen Text von mir geben, und bis dahin könnt ihr gerne meinen Newsletter abonnieren, damit ihr keinen Blogbeitrag mehr verpasst.

Gratulation an Katalin Karikó und Drew Weissman!

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