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.