Neue Methode zur Lokalisierung von Modifikationen in mRNA
Die Erbinformationen eines Organismus sind in Form von DNA (Desoxyribonukleinsäure) in jeder Zelle gespeichert. Um mit diesem Bauplan Proteine produzieren zu können, wird die DNA zunächst in die sogenannte mRNA (Boten-Ribonukleinsäure) umgeschrieben. Diese besteht ähnlich wie DNA aus vier Grundbausteinen. Diese Grundbausteine können natürlicherweise an bestimmten Stellen chemisch verändert sein und dadurch die Zellentwicklung und den Zellstoffwechsel beeinflussen. Zum Beispiel verändern solche Modifikationen die Stabilität der RNA und steuern die Spezialisierung von Zellen auf bestimmte Aufgaben, die Menge der produzierten Proteine oder das Wachstum von Tumoren. Ein Team um die Biochemikerin Prof. Dr. Andrea Rentmeister von der Universität Münster und den Bioinformatiker Prof. Dr. Christoph Dieterich vom Universitätsklinikum Heidelberg präsentiert in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ eine neue Methode, um diese Modifikationen in der mRNA umfassend aufzuspüren und gleichzeitig präzise zu lokalisieren.
Im Gegensatz zu Mutationen verändern die Modifikationen die Gene selbst nicht. „Wenn Modifikationen jedoch falsch in die Grundbausteine der mRNA eingebaut werden, kann das dramatische Folgen für die Zelle haben“, unterstreicht Erstautorin Nadine Kück, Doktorandin in der Arbeitsgruppe von Andrea Rentmeister. „Daher ist es wichtig zu verstehen, welche Auswirkungen die einzelnen Modifikationen haben. Wir müssen exakt wissen, wo die Modifikationen auf einem Gen sitzen, wie häufig sie dort vorkommen und wie sich gesunde und kranke Zelle diesbezüglich unterscheiden. Vielleicht kann man irgendwann Krankheiten therapieren, die durch fehlerhafte Modifikationen entstehen.“
Die wichtigste Art der Modifikationen ist die Markierung von Molekülen des Erbguts mit sogenannten Methyl-Gruppen. Diese Methylierung kann an allen Grundbausteinen von DNA und mRNA sowie auch an unterschiedlichen Stellen dieser Grundbausteine auftreten. Bei der mRNA von Tieren, Pflanzen und Pilzen – sogenannten Eukaryoten – sind besonders das N6-Methyladenosin und das 5-Methylcytosin innerhalb der Methylierungen wichtig. Mit der nun vorgestellten neuen Methode lassen sich diese Stellen in einem einzigen Versuch bei allen in der Zelle produzierten RNA-Molekülen bestimmen und präzise auf dem jeweiligen Gen verorten. Der Trick dabei: Die Forscher nutzen statt der sonst üblicherweise eingesetzten Antikörper eine metabolische Markierung, bei der ein molekulares Erkennungszeichen in die mRNA eingebaut wird – in diesem Fall sind es Propargyl-Gruppen anstelle von Methyl-Gruppen.
Der Vorteil sei, dass die Propargyl-Gruppen per Click-Chemie zugänglich seien. „Das heißt, sie sind Ansatzpunkte für schnelle und passgenaue Reaktionen. Da in der Zelle die benötigten Reaktionspartner nicht vorliegen, reagieren sie allerdings nicht innerhalb der Zelle, weshalb sie für die Zelle biokompatibel sind“, sagt Nadine Kück. „Wir können sie auf diese Weise so markieren, dass wir die mRNA mit den Propargyl-Gruppen gut von den anderen Zellbestandteilen trennen und am Ende exakt die Stellen mit den Modifikationen auf den Genen identifizieren können.“
Antikörper werden in anderen Studien häufig genutzt, um modifizierte Bereiche der RNA zu markieren. Allerdings versuchen Wissenschaftler, Alternativen zu finden, da die Markierung mit Antikörpern nicht immer sehr genau funktioniert und es zu falsch positiven und falsch negativen Ergebnissen kommen kann.
Finanzielle Förderung
Die Arbeit wurde durch das Schwerpunktprogramm SPP1784 (RE 2796/3-2, DI 1501/11-1) der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie durch ein Stipendium des Graduiertenprogramms CiM-IMPRS gefördert.
Originalveröffentlichung
Hartstock, K., Kueck, N.A., Spacek, P. et al. (2023): MePMe-seq: antibody-free simultaneous m6A and m5C mapping in mRNA by metabolic propargyl labeling and sequencing. Nat Commun 14, 7154. DOI:10.1038/s41467-023-42832-z