Diversität auf allen Ebenen

Gene dienen als Bauanleitung für Proteine. Doch wie genau diese Anleitung umgesetzt wird und welches Protein letztendlich entsteht, darüber entscheiden auch Gewebeart und Genotyp.

In der DNA steckt die Bauanleitung für unsere Zellen. Kein Protein kann gebildet werden, wenn die Blaupause dafür nicht in der Erbinformation steckt. Umso ungewöhnlicher scheint es, dass die DNA gar nicht eins zu eins in Proteine übertragen wird. Stattdessen wird an der Übergangsform RNA kräftig herumgeschnippelt. Bei diesem Vorgang des Spleißens werden Teile entfernt und die Enden neu verklebt, bis schließlich die fertig prozessierte RNA in ein Protein übersetzt werden kann.

Alle Teile, die aus der RNA herausgeschnitten werden, heißen Introns (intervenierende Sequenzen), während die Abschnitte, die letztlich als Vorlage für das Protein dienen, als Exons (exprimierte Sequenzen) bezeichnet werden. Doch nicht immer läuft das Spleißen genau gleich ab. Mal werden Exons übersprungen oder Introns versehentlich nicht ausgeschnitten, manchmal verrutscht beim Schneiden und Verkleben der Enden auch nur die genaue Position.

Durch alternatives Spleißen entstehen neue oder defekte Proteine

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Wissenschaftler haben jetzt untersucht, wie verbreitet dieses alternative Spleißen (AS) bei Maispflanzen ist. Die Ergebnisse wurden vor kurzem im Journal The Plant Cell veröffentlicht und deuten in Richtung dessen, was schon bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana bekannt war. Bei ganzen 40 Prozent aller Maisgene mit Introns kommt es zu alternativem Spleißen. Bei Arabidopsis sind es 60 Prozent. Im Vergleich mit anderen Modellpflanzen wie Soja oder Reis dominierte beim Mais das Überspringen von Exons (Exon Skipping). Wo genau gespleißt wird, bestimmen meistens bestimmte Sequenzen innerhalb der Exons, sogenannte cis-Elemente. Nur selten sind trans-Elemente am Werk, die von außerhalb des betreffenden Gens ins Spleißen eingreifen.

„Viele der alternativ gespleißten Transkripte haben das Potential, komplett neue Proteine zu kodieren“, schreiben die Autoren. Und bei neuen Proteinfunktionen ist noch lange nicht Schluss. Durch alternatives Spleißen kann die RNA ihre Stabilität verändern oder an einen ganz anderen Ort innerhalb der Zelle geschickt werden. Nicht zuletzt eröffnen sich mitunter neue Bindungsstellen für regulatorische microRNAs, die dadurch ganz andere Genexpressionsmuster ins Rollen bringen. Nur durch welchen Mechanismus genau alternatives Spleißen reguliert wird, das ist noch nicht ganz klar.

Auch agronomisch interessante Eigenschaften werden von AS beeinflusst

„Das, was da in den Zellen passiert, ist äußerst komplex“, kommentiert Eva Bauer vom Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung der Technischen Universität München, die nicht an der Studie beteiligt war. „Aus dem immer gleichen Genrepertoire entsteht eine unglaubliche Vielfalt an Proteinen, das bringt eine ganz neue Ebene an Diversität ins Spiel.“ Dabei spleißen innerhalb eines Organismus nicht einmal alle Gewebe gleich. Stattdessen werden die RNAs in Wurzeln, Blättern oder Leitgewebe ganz unterschiedlich verarbeitet.

In der Vergangenheit wurden bereits Gene identifiziert, bei denen alternatives Spleißen zu agronomisch bedeutsamen phänotypischen Ausprägungen geführt hat. Wissenschaftler um Fukun Jiang berichteten 2012 im Journal Plos ONE darüber, dass alternatives Spleißen des Gens dil1 die Wuchshöhe und den Abstand der Internodien beeinflusst. Eine Punktmutation an der Exon-Intron-Grenze führt dazu, dass Exons übersprungen werden und kein funktionsfähiges Protein gebildet werden kann. Alternatives Spleißen erhöht also die Diversität – im Guten wie im Schlechten.