Blick auf die mRNA in Fruchtfliegen

mRNA-Partikel in einem Drosophila-Neuron. Der Umriss der Nervenzelle ist grün angefärbt. Der große pinkfarbene Punkt in der Mitte ist der Zellkern, einzelne pinkfarbene Punkte außerhalb des Zellkerns sind mRNA-Partikel (Pfeile).
© Rode/Rumpf

Projekttitel: Novel tools for mRNA labeling in Drosophila
Projektleitung: Sebastian Rumpf, Andrea Rentmeister
Projektlaufzeit: 07/2016 - 06/2018
Projektkennziffer: FF-2016-13

In diesem Projekt arbeiten Biologen und Chemiker eng zusammen. Gemeinsam wollen sie ein Biomolekül in Zellen sichtbar machen, das für alle Funktionen der Zelle entscheidend ist: die mRNA (Kurzform für messenger RNA, im Deutschen Boten-RNA).

Biologe Dr. Sebastian Rumpf beschäftigt sich mit dem Abbau von neuronalen Fortsätzen, den Axonen und Dendriten, mit denen sich Nervenzellen verbinden und Signale weiterleiten. Der Abbauprozess von unspezifischen neuronalen Fortsätze wird Pruning genannt und ist wichtig für die Entwicklung des Nervensystems. Sebastian Rumpf und seine Kollegen sehen sich das Pruning in den Larven der Fruchtfliege Drosophila melanogaster an. In ihrem Projekt richten sie ihren Blick auf ein bestimmtes Gen, das beim Abbau von Dendriten eine Rolle spielt: Mical. Die genetische Information wird auf einem Abschnitt der DNA gespeichert und bei der sogenannten Transkription in die mRNA umgeschrieben. Diese transportiert die Informationen des Gens innerhalb der Zelle weiter, damit daraus Proteine hergestellt werden können. Die Wissenschaftler haben entdeckt, dass die Regulation der mRNA eine große Rolle für das Vorkommen von Mical – und damit für das Pruning – spielt. Die mRNA wird häufig dorthin transportiert, wo am Ende das kodierte Protein wirkt. Daher möchten sie herausfinden: Wo siedelt sich die Mical-mRNA nach der Transkription an?

Hier kommt Chemikerin Prof. Andrea Rentmeister ins Spiel: Die CiM-Professorin entwickelt Techniken, mit denen man mRNA sichtbar machen kann. Sie gab Sebastian Rumpf entscheidende Hinweise, mit deren Hilfe es erstmals gelang, direkt in vivo die Mical-mRNA in den Nervenzellen der Fliegen sehen und untersuchen zu können. Dazu kombinierten die Wissenschaftler zwei bekannte Techniken. Mithilfe der CRISPR-Methode, mit der man gezielt DNA-Sequenzen verändern kann, fügten sie in das Mical-Gen kurze Sequenzen ein, die es dann bestimmten Marker-Proteinen ermöglichen, an die RNA zu binden. So konnten die Forscher die Mical-mRNA mit fluoreszenten Proteinen markieren – das Verfahren wird MS2-Methode genannt. Die Beobachtung der mRNA soll den Biologen um Sebastian Rumpf dabei helfen, diejenigen Mechanismen besser zu verstehen, die für die Regulation des Gens Mical und damit für den Abbau der Nervenzellfortsätze verantwortlich sind.

Die Biochemiker um Andrea Rentmeister entwickeln darüber hinaus eine neuartige Methode, um mRNAs sichtbar zu machen: die chemische mRNA-Kappenmarkierung. Das Verfahren basiert auf dem Konzept der Klick-Chemie: Damit lassen sich auf Grundlage ausgewählter chemischer Reaktionen molekulare Markierungen in Biomoleküle einfügen, ohne die biologischen Prozesse in der Zelle zu stören und unerwünschte Nebenprodukte zu erzeugen. In ihrem Projekt versuchen die Forscher, die Experimente vom Reagenzglas auf die Fruchtfliege als Tiermodell zu übertragen. Die Biologen entwickeln zum einen Fliegenlinien mit spezifischen Enzymen, welche die sogenannte Kappen-Struktur der mRNA markieren und verändern können. Die Kappe der mRNA spielt eine wichtige Rolle für ihre Funktion. Zum anderen testen die Wissenschaftler, wie sich die Chemikalien zur Markierung in den Fliegen verhalten und wie gut sich damit einzelne mRNAs markieren und visualisieren lassen.