Kleiner Eiweiß-Helfer bei Stress

SERRATE verbessert die Genregulation von intronlosen Genen unter Stress

04.10.2018 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Bei Trockenheit verstärkt das Protein SERRATE in Pflanzen wie der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) das Ablesen der Gene, die die Pflanze unter Stress benötigt. (Bildquelle: © Sascha Laubinger/ Universität Oldenburg)
Bei Trockenheit verstärkt das Protein SERRATE in Pflanzen wie der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) das Ablesen der Gene, die die Pflanze unter Stress benötigt. (Bildquelle: © Sascha Laubinger/ Universität Oldenburg)

Introns sind wichtig für die Genregulation, aber viele Gene besitzen keine Introns. Hier kommt das Protein SERRATE ins Spiel: Es sorgt für eine zügigere Genregulation von intronlosen Genen bei Stresssituationen wie Kälte oder Schädlingsbefall.

Pflanzen sind sesshafte Lebewesen. Das bedeutet, sie können sich im Gegensatz zu Tieren nicht einfach von der Stelle bewegen, wenn es „ungemütlich“ wird. Stattdessen müssen sie an Ort und Stelle mit widrigen Umweltbedingungen fertig werden. Daher ist es für sie besonders wichtig, dass ihr Organismus auf genetischer Ebene sehr schnell auf Stressfaktoren wie Wassermangel, Kälte oder Schädlinge reagieren kann. Wie Pflanzen dazu ihre Genregulation optimieren, hat eine Studie der Universität Oldenburg jetzt untersucht.

Alte Gen-Überbleibsel

Ein Gen besteht meist aus codierenden und nicht codierenden Sequenzabschnitten. Die codierenden Bereiche (Exons) enthalten die Informationen für die Herstellung von Proteinen bei der Proteinbiosynthese, dazwischen liegen Sequenzbereiche, die auf den ersten Blick funktionslos erscheinen (Introns).

Wenn ein Gen beim Ablesen (Transkription) in RNA umgeschrieben wird, besteht die RNA zunächst immer noch aus Exons und Introns. Die Intron werden erst im nächsten Schritt entfernt (gespleißt). Man vermutet, dass sie möglicherweise Reste von alten Genen sind, die nicht mehr benötigt werden. Dennoch haben sie eine wichtige Bedeutung: Introns „helfen“ beim Ablesen von Genen, indem sie zum Beispiel die Menge des zu produzierenden Proteins regeln und die Stabilität der RNA verbessern. Sie sind bei genauerem Hinsehen also durchaus von Vorteil.

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Bildstrecke: Ein Unkraut steht Modell

Die unscheinbare Pflanze Arabidopsis thaliana ist die wichtigste Modellpflanze in der Pflanzenforschung. Warum das so ist erfahren Sie in dieser Bildstrecke.

Bildquelle: © Jörg Abendroth / MPl für Entwicklungsbiologie

Trotzdem besitzen etwa 20 Prozent der Gene einer Pflanze keine Introns. Nachteil: Sie werden dadurch in geringerer Intensität abgelesen. Dabei stellt sich die Frage, ob das Fehlen von Introns nicht doch auch einen Vorteil bringen könnte, wenn ein so hoher Prozentsatz von Gegen ohne Introns auskommt. Und tatsächlich: Werden zum Beispiel Proteine benötigt, die bei einer Stressreaktion der Pflanze helfen sollen, müssen bei Genen mit Intron-Sequenzen diese nach dem Ablesen erst noch entfernt werden, bevor das Protein produziert werden kann. Dabei verliert die Pflanze möglicherweise wertvolle Zeit, um Stresssituationen zu bewältigen. Bei Genen ohne Introns können die Proteine also schneller bereitgestellt werden, nur eben in geringerer Zahl.

Mobile Unterstützung

Um herauszufinden, wie die Pflanzen mit diesem Problem umgehen, untersuchte das Forschungsteam die Wildform sowie eine Mutante der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). Im Blick hatten sie dabei das Protein SERRATE, das die Transkription unterstützt und auch am Spleißen beteiligt ist. Das Forschungsteam vermutete, dass SERRATE aufgrund seiner vielfältigen Funktion möglicherweise auch bei der Genregulation „ein Wörtchen mitzureden hat“.

Die Versuche zeigten, dass SERRATE vornehmlich (zu 46,3 Prozent) mit Genen ohne oder mit nur wenigen Introns interagierte, nur 10,2 Prozent der von SERRATE angesteuerten Gene besaßen fünf oder mehr Introns.

Um herauszufinden, ob SERRATE auch bei stressinduzierter Genregulation eine Funktion hat, setzte das Forschungsteam zehn Tage alte Arabidopsis-Keimlinge für 15 und 60 Minuten einem Kältestress aus. Tatsächlich wurden durch SERRATE die Gene, die bei Kältestress benötigt werden, in größerer Menge exprimiert. Allerdings hatte SERRATE keine wichtige Funktion für die initiale Genaktivierung.

Vielmehr kommt SERRATE erst nach der Genaktivierung, also im Verlauf der Transkription, ins Spiel. Das Protein sorgt dann für das erhöhte Ablesen von induzierten Genen ohne Introns und eine entsprechend gesteigerte Proteinbiosynthese. Wichtige Proteine für die Stressbewältigung stehen der Pflanze so in kurzer Zeit  zur Verfügung.

Wichtig für die Erforschung von Krankheiten

Auch in Tieren gibt es SERRATE-ähnliche Proteine. Versuche mit dem Protein ARS2 aus der Fruchtfliege Drosophila melanogaster zeigten, dass dieses Protein ebenfalls an der Expression von intronlosen Genen beteiligt ist. Das könnte auch auf das menschliche Pendant von ARS2 zutreffen. Denn auch Menschen besitzen Gene ohne Introns, die vor allem in sich schnell teilenden Zellen eine größere Rolle spielen, beispielsweise auch im Rahmen von Krebs- oder neurologischen Erkrankungen. Das neue Wissen über SERRATE kann daher auch für die Humanmedizin nützlich sein und das Verständnis über das Wachstum und Teilung von Krebszellen bereichern.

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