RNA-Interferenz (RNAi)

Die durch doppelsträngige RNA (dsRNA) induzierte RNAi beschreibt Mechanismen, die Gene auf transkriptioneller, post-transkriptioneller und translationaler Ebene stumm schalten können. Bei der transkriptionellen Geninaktivierung werden die Regulationselemente der Gene durch epigenetische Veränderungen ausgeschaltet. Die post-transkriptionelle Stummschaltung resultiert aus dem spezifischen Abbau von RNA während der Abbruch der Translation auf Prozessen beruht, die noch weitgehend ungeklärt sind. Wegen der Vielfalt, mit dem die RNAi in die Genregulation aller Eukaryonten eingreifen kann, zählt die Aufklärung der RNAi Mechanismen heute zu den bedeutendsten Arbeiten in der Biologie und Medizin (Nobelpreis für Medizin, 2006). Alle RNAi Mechanismen teilen sich zwar gemeinsame Komponenten, aber in den meisten Fällen sind für die transkriptionelle, die post-transkriptionelle und die translationale Geninaktivierung spezifische Mitglieder verschiedener Enzymfamilie essentiell. Zu diesen Enzymklassen zählen hauptsächlich Formen der Dicer- (DCR) oder in Pflanzen der Dicer-like- (DCL), der Argonaut- (AGO) und der RNA-dirigierte RNA Polymerase- (RDR) Proteine. Pflanzen verfügen über ein vollständiges und eines der vielfältigsten Sortimente dieser Enzyme. Es ist deshalb verständlich, dass viele Erkenntnisse über die RNAi durch Studien pflanzlicher Systeme gewonnen wurden. Darüber hinaus akkumulieren Pflanzen alle Arten kleiner regulatorischer RNAs zu denen in erster Linie die short interfering RNAs (siRNAs), die microRNAs (miRNAs) und die trans-acting short interfering RNAs (tasiRNAs) zählen. Ein weitere Vorteil, Pflanzen als Modellsystem zu verwenden, beruht auf der Kenntnis unzähliger Pflanzenviren, die für sog. silencing suppressor Proteine kodieren. Diese Proteine können verschiedene Prozesse der RNAi unterdrücken und werden deshalb als Werkzeug genutzt, die RNAi im Detail aufzuklären.

Laufende Projekte

Untersuchung der transitiven und systemischen RNA-vermittelten Geninaktivierung in Pflanzen
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Laufzeit: 02/2016-01/2019 

Nach RNAi-vermittelter Spaltung von RNA werden diese meistens vollständig abgebaut. Allerdings werden in Pflanzen gelegentlich einige der Ziel-Transkripte von RDRs (Wassenegger und Krczal, 2006) in sog. sekundäre dsRNAs transkribiert, die von DCLs in sekundäre siRNAs prozessiert werde. Dieser sich in 5'- und 3'-Richtung von der primären Zielregion ausbreitende Prozeß wird Transitivität oder transitive silencing genannt. Die mechanistischen Details der Transitivität sind weitgehend unbekannt. Neben der Transitivität findet man in Pflanzen das sog. systemische silencing. Über lange Distanzen wandernde Signale können in Zellen produziert werden, in denen lokales silencing aktiviert wurde. In Zellen, die solche Signale aufnehmen, kann systemisches silencing von homologen Transkripten induziert werden. Interessanterweise sind Transkripte von Transgenen aus bisher ungeklärten Gründen generell deutlich anfälliger für Transitivität und systemisches silencing, als die Transkripte von Endogenen (Dadami et al., 2013; Dadami et al., 2014).

Wir untersuchen derzeit, ob das Einbringen eines vermeintlichen RNAi-Auslösers schon ausreicht, um systemisches silencing zu initiieren, undwelche Voraussetzungen für die Initiation von Transitivität und systemischen silencing für transgene und endogene Ziel-Transkripten gegeben sein müssen. Die Verwendung von synthetischen siRNAs erlaubt dabei erstmals die Beschaffenheit von RNAi-Auslösern genau zu studieren (Dalakouras et al., 2016).

Gene und Mutationen, die Virusinfektionen von Raps beeinträchtigen (GAMAVIR)
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Transnationale Pflanzen(genom)forschung (Plant-KBBE), Laufzeit: 04/2014-03/2017

In diesem Projekt sollen Erkenntnisse darüber gewonnen werden, wie Virus-induzierbare regulatorische Netzwerke, die auf Wechselwirkungen zwischen kleinen RNAs und deren Zielsequenzen beruhen, zur Etablierung von Virus-Infektionen in Raps beitragen. Dabei soll speziell der Einfluß von Temperaturänderungen auf die Aktivierung pflanzlicher Abwehrprozesse und die Ausprägung von Krankheitssymptomen untersucht werden. Weiterhin soll die Funktion Virus-induzierter Raps-Gene aufgeklärt werden.

abRNA = aberrant RNA; AGO = Argonaute proteins, DCL = dicer-like proteins; dsRNA = double stranded RNA; HEN1 = Hua Enhancer 1 protein; siRNA = short interfering RNA; RDR = RNA-directed RNA polymerase; RISC = RNA-induced silencing complex

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