Krankheiten verhindern mit veränderter tRNA

Nun wurde ein Weg von einem Forschung­steam unter der Leitung der Uni­ver­sität Ham­burg gefun­den, genetis­che Muta­tio­nen zu umge­hen, die zu einem frühzeit­i­gen Stopp der Pro­tein­biosyn­these und damit zu schw­eren Krankheit­en führen. Die Tests, die im Bak­teri­um E. coli erfol­gre­ich durchge­führt wur­den, kön­nten einen neuen Ansatz zur Bekämp­fung dieser Krankheit­en liefern. Die Ergeb­nisse der Studie wer­den in der aktuellen Aus­gabe der Fachzeitschrift „Nature Com­mu­ni­ca­tions“ präsentiert.
Die Pro­tein­biosyn­these (PBS) ist ein über­lebenswichtiger Prozess, bei dem in Zellen neue Pro­teine entste­hen. Sie wer­den mith­il­fe genetis­ch­er Infor­ma­tio­nen der DNA aus Aminosäuren aufge­baut. Spon­tane Muta­tio­nen der DNA kön­nen allerd­ings dazu führen, dass der Prozess frühzeit­ig abge­brochen wird, wodurch verkürzte und nicht funk­tions­fähige Pro­teine entste­hen. Die Folge: schwere Krankheit­en wie die spinale Muske­la­t­ro­phie (SMA), Muko­viszi­dose, Muskelschwund oder auch Wach­s­tumshormon­man­gel. Etwa 10 bis 15 Prozent aller beschriebe­nen Gen­de­fek­te, die men­schliche Erbkrankheit­en verur­sachen, wer­den durch diese soge­nan­nten Non­sense-Muta­tio­nen verursacht.
In der Ver­gan­gen­heit haben Forscherin­nen und Forsch­er verän­derte Trans­fer-RNAs (tRNAs) als Ansatz gese­hen, um Fehler durch solche Muta­tio­nen zu kor­rigieren. „Die meis­ten Ver­suche basierten dabei auf der Umkodierung des soge­nan­nten Anti­codons“, sagt Prof. Dr. Zoya Igna­to­va vom Fach­bere­ich Chemie der Uni­ver­sität Ham­burg. „Trotz des enor­men ther­a­peutis­chen Poten­zials wurde mit diesem Ansatz auf­grund der sehr niedri­gen tRNA-Aktiv­ität bis heute noch keine klin­is­che Studie durchge­führt. Unser Ansatz dage­gen fokussiert sich auf andere tRNA-Seg­mente, die mod­i­fiziert wer­den kön­nen, um ihre Aktiv­ität zu verändern.“
tRNAs sind ein wichtiger Baustein bei der Entste­hung neuer Pro­teine, einem mehrstu­fi­gen Prozess: Zunächst wird die DNA aus der Dop­pel­he­lix entwun­den und in zwei Einzel­stränge aufge­tren­nt. Nuk­leotide, also Moleküle, die als Grund­bausteine der DNA und RNA fungieren, lagern sich an einen DNA-Strang an und wer­den von der RNA-Poly­merase ver­bun­den – es entste­ht ein RNA-Einzel­strang, die Boten-Ribonuk­lein­säure mRNA. Sie tren­nt sich von der DNA und wan­dert zu den Ribo­somen, den Pro­tein­biosyn­the­se­maschi­nen der Zelle. Dort lagern sich tRNAs, die bes­timmte Aminosäuren trans­portieren, an die mRNA an. Jede tRNA besitzt einen bes­timmten Code, das Anti­codon, das sich an eine bes­timmte Stelle der mRNA, das Codon, binden kann. Zum Beispiel: An das Codon UAC der mRNA bindet die tRNA mit dem Anti­codon AUG und der Aminosäure Tyrosin. An das Codon UUU bindet die tRNA mit dem Anti­codon AAA und der Aminosäure Pheny­lalanin. Anschließend wer­den die Aminosäuren verknüpft.
Drei ver­schiedene Stop­p­codons been­den diesen Prozess: UAA, UAG, UGA. Trifft ein sich an der mRNA ent­lang bewe­gen­des Ribo­som auf eines der drei Codons, kommt es zum Still­stand, da keine passenden tRNA-Moleküle für eine Aminosäure vorhan­den sind. Stattdessen treten so genan­nte Ter­mi­na­tions- oder Release-Fak­toren (RFs) an die Stelle und das Pro­tein wird freigesetzt.

„Durch Muta­tio­nen kann es dazu kom­men, dass nor­male Codons in Stop­p­codons umge­wan­delt wer­den und die Entste­hung des Pro­teins frühzeit­ig abge­brochen wird. Fast 1.000 ver­schiedene genetis­che Störun­gen wer­den durch solche Muta­tio­nen verur­sacht. In eini­gen weni­gen Microor­gan­is­men wer­den die schädlichen Auswirkun­gen solch­er Muta­tio­nen durch soge­nan­nte Sup­pres­sor-tRNAs ger­ingge­hal­ten. Sie entste­hen in der Regel durch Muta­tion in der tRNA, um das neu entste­hende Stop­p­codon den­noch abzule­sen. Men­schliche Zellen ver­fü­gen nicht über einen solchen Reparaturmechanismus.“
— Dr. Suki Albers, Erstau­torin der Studie und Mitar­bei­t­erin in der Arbeits­gruppe von Prof. Ignatova

Dies haben sich die Forschen­den zunutze gemacht: „Zunächst haben wir am Com­put­er ver­schiedene Sup­pres­sor-tRNAs gener­iert“, sagt Prof. Andrew Tor­da vom Zen­trum für Bioin­for­matik der Uni­ver­sität Ham­burg. „Anschließend haben wir tRNAs syn­thetisch hergestellt und im Bak­teri­um E. coli ver­schiede­nen Tests unterzogen.“
So hat das Team schließlich tRNAs ent­wor­fen, die am Ribo­som funk­tion­ieren und effizient Stop­p­codons in E. coli unter­drück­en. Der Prozess wurde nicht unter­brochen, son­dern das Pro­tein voll­ständig aufge­baut. „Die Opti­mierungsstrate­gie, die wir für die bak­teriellen tRNAs ver­wen­det haben, wurde in unseren neuesten Stu­di­en auf men­schliche tRNAs über­tra­gen. Unsere ersten Ver­suche in Tier­mod­ellen zeigen eine sehr hohe Aktiv­ität dieser tRNAs. Wir hof­fen, dass diese pos­i­tiv­en in vivo Exper­i­mente bald in klin­is­che Stu­di­en über­führt wer­den kön­nen, um neue Ther­a­pi­en men­schlich­er Gen­de­fek­te zu entwick­eln“, sagt Prof. Ignatova.
Für die entwick­el­ten tRNA-Tech­nolo­gien haben die Wis­senschaft­lerin­nen und Wis­senschaftler der Uni­ver­sität Ham­burg bere­its erteilte und angemeldete Patente.
An der Studie waren ver­schiedene Arbeits­grup­pen des Fach­bere­ichs Chemie und das Zen­trum für Bioin­for­matik der Fakultät für Math­e­matik, Infor­matik und Natur­wis­senschaften der Uni­ver­sität Ham­burg sowie Forschende des Cen­tre for Struc­tur­al Sys­tems Biol­o­gy — Ham­burg und der Upp­sala Uni­ver­sität in Schwe­den beteiligt.