Kleine RNAs, Gigabytes von Buchstaben und das wertvolle Genom der Keimbahn

Wien (OTS) - In den Genomen von Pilzen, Pflanzen und Tieren gibt es zahlreiche DNA Abschnitte-sogenannte Transposons-die von einem Ort zum anderen springen können. Das führt oft zu schädlichen Mutationen und daher haben alle Lebewesen Schutzmechanismen entwickelt, um diese Genom-Parasiten in Schach zu halten.

In Tieren, vom Schwamm bis hin zum Menschen, ist dies der sogenannte piRNA Signalweg, der erst vor wenigen Jahren in der Fruchtfliege und in der Maus entdeckt wurde. Er ist essentiell um Transposons in den Zellen der Keimbahn zu unterdrücken. Keimzellen beherbergen die einzige Kopie der DNA, die an die nächste Generation vererbt wird. Diese zu schützen ist besonders wichtig, denn hier führen Schäden zu Sterilität oder zu Entwicklungsstörungen in der nächsten Generation.

Der piRNA Mechanismus gehört zur Gruppe der kleinen RNA Signalwege, welche maßgeblich an der Regulation von Genen, Viren und Transposons beteiligt sind. Die Welt der kleinen RNAs wurde erst in den 90er Jahren entdeckt und ist ein hochaktives Forschungsfeld.

Ein Experte auf diesem Gebiet ist Julius Brennecke vom Institut für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Gemeinsam mit seiner Forschungsgruppe konnte er nun weitere spannende Eigenschaften des piRNA Signalwegs enthüllen, über welche heute in der Zeitschrift Science zu lesen ist. "Das piRNA System funktioniert über kleine RNA Schnipsel-die piRNAs-die wie Spiegelbilder auf die Transposon Sequenzen passen und dadurch deren Zerstörung einleiten", erklärt Doktorand Dominik Handler, er ist gemeinsam mit Fabio Mohn Erstautor der Studie. Wie diese kleinen RNAs hergestellt werden ist eine der großen ungelösten Fragen im Feld. Eine zentrale Herausforderung für die Zelle ist es, piRNAs aus den richtigen der zahlreichen zellulären RNA Molekülen herzustellen. Werden die falschen Vorläufer prozessiert, droht die Stilllegung der eigenen Gene. "Was wir herausgefunden haben ist, wie die Muster der kleinen RNAs entstehen und wie die Zelle entscheidet welche Vorläufer-RNAs sie in die kleinen piRNAs umwandelt", so Handler.

Aber nicht nur der Inhalt, sondern auch die Methode, die hinter dieser Forschung steht-das "Next Generation Sequencing"-ist besonders spannend. Denn damit diese Ergebnisse zustande kommen konnten, wurden mehrere hundert Millionen der kleinen RNA Schnipsel sequenziert. Mit Hilfe des Sequenzierens kann die Reihenfolge der vier Bausteine (Nukleotide) in DNA oder RNA Molekülen ermittelt werden. In den letzten Jahren hat sich diese Technologie stark weiterentwickelt und ist schneller und erheblich billiger geworden. Konnten vor zehn Jahren nur maximal 96 Proben (DNA Fragmente) gleichzeitig sequenziert werden, so sind dies nun Millionen von Fragmenten.
Ein anschauliches Beispiel für die bahnbrechenden Möglichkeiten des Next Generation Sequencing ist das humane Genom Projekt. Die Entschlüsselung der drei Milliarden Bausteine hat zehn Jahre gedauert, hunderte von Forschern waren daran beteiligt, und die Gesamtkosten betrugen rund drei Milliarden Dollar.

"Heute können wir mit den neuen Geräten zehn menschliche Genome pro Woche sequenzieren und das für unter 1000 Dollar pro Genom", erzählt Andreas Sommer. Die ständige Weiterentwicklung der Technologie ist von großer Bedeutung, allerdings auch eine beträchtliche Herausforderung. "Etwa alle drei Jahre gibt es technologische Sprünge, die enorme Investitionskosten erfordern-um die 600.000 Euro kostet ein neues Gerät", sagt Sommer; er ist Leiter der Next Generation Sequencing Unit an der Campus Science Support Facilities GmbH (CSF). Dies ist eine Einrichtung am Vienna Biocenter, welche sehr effizient Infrastruktur und Service für die verschiedenen Forschungsrichtungen anbietet. Fast 90 Prozent der Forschungsgruppen am Campus nehmen regelmäßig den Service der CSF in Anspruch. "Heute kann diese Art der Sequenzierung für Experimente verwendet werden, die früher nicht vorstellbar oder zu teuer gewesen wären. Fast jeder Prozess in der Zelle, der mit DNA oder RNA zu tun hat kann dadurch erfasst werden, ob kleine RNAs, Protein-DNA Interaktionen, RNA-Protein Interaktionen oder chromosomale Strukturen", erklärt Sommer. Die Sequenziersysteme aus der Illumina HiSeq Reihe, die von der CSF eingesetzt werden, gehören zu den leistungsstärksten Geräten am Markt. Ist der Sequenziervorgang beendet, werden gewaltige Mengen an Rohdaten ausgespuckt-für die Studie an den Transposons waren es etliche Milliarden an RNA-Buchstaben. Die Herausforderung ist es dann, in diesen riesigen Datenmengen Muster zu finden, die auf die Herstellung der kleinen RNAs wichtige Hinweise geben. Der Schlüssel dazu liegt in verschiedenen Computer-Programmen, die in vielen Molekularbiologie-Laboren heutzutage von Doktoranden oder Postdocs geschrieben werden.

Die Arbeit von Julius Brennecke und Kollegen am piRNA Signalweg zeigt wie wichtig es ist, dass höchste technische Qualität und maximaler Durchsatz bei solch einer Methode garantiert werden kann. "Wir verstehen jetzt mehr über diesen wichtigen Schutzmechanismus, aber bei weitem noch nicht alles. Es ist ein gutes Beispiel um zu zeigen, dass die heutige Forschung in der Biologie zu einem erheblichen Teil am Computer stattfindet. Das Bild des Biologen, der einen Käfer unter dem Mikroskop analysiert, ist sicherlich veraltet", so Brennecke.

Rückfragen & Kontakt:

Dr. Sophie Hanak, M.sc.
Communications Manager
Institut für Molekulare Biotechnologie GmbH
Vienna Biocenter (VBC)
Dr. Bohr-Gasse 3, 1030 Wien
Tel.: 01 79044 3628
E-Mail: sophie.hanak@imba.oeaw.ac.at

OTS-ORIGINALTEXT PRESSEAUSSENDUNG UNTER AUSSCHLIESSLICHER INHALTLICHER VERANTWORTUNG DES AUSSENDERS | IMP0001