Mobile mRNAs dank Methylierung

Proteine müssen nicht immer in der Zelle produziert werden, in der die Gene dafür abgelesen wurden. Dank mobiler Messenger-RNAs können die Bauanleitungen sogar vom Blatt in die Wurzeln gelangen und dort das Wurzelwachstum beeinflussen. Eine neue Studie beschreibt jetzt den Mechanismus, der diese Mobilisierung möglich macht.

Damit sich eine Pflanze optimal entwickelt, ist eine ausgeklügelte interne Kommunikation nötig. Signale können über die Nährstoffleitbahnen, das Phloem, über weite Strecken transportiert werden. Seit einiger Zeit weiß man, dass auf diesen „Schnellstraßen“ auch die Transkripte für Proteine wandern, die sogenannten Messenger-RNAs oder kurz: mRNAs (wir berichteten: „Genetischer Mobilfunk“). So ist es möglich, dass mRNAs von ihrem Produktionsort (vgl. Transkription) in weit entfernte Pflanzenteile transportiert und erst dort die in der mRNA codierten Proteine gebildet werden (Translation).

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Doch längst nicht alle mRNAs können in den Pflanzen so zirkulieren. Da drängt sich die Frage auf: Wie werden Messenger-RNA-Moleküle mobil? Das hat ein internationales Wissenschaftlerteam unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie (MPI-MP) bei der Versuchspflanze Arabidopsis thaliana genauer untersucht.

Epigenetische Veränderungen machen´s möglich

Sie fragten sich zunächst, ob epigenetische Veränderungen dabei eine Rolle spielen könnten. Epigenetische Modifikationen kennt man schon lange in der DNA – sie können dort zu veränderten Aktivitätsmustern von Genen führen. Die Pflanze kann solche Modifikationen sogar auf ihre Nachkommen vererben.

Die Wissenschaftler betrachtete eine ganz bestimmte Modifikation von mRNAs: Eine Methylierung der Nukleinbase Cytosin – ein Vorgang, bei der sich eine Methylgruppe an die Base heftet. Die methylierte Base nennt sich 5-Methylcytosin, kurz m⁵C. Das Team fand heraus, dass m⁵C tatsächlich eine entscheidende Rolle dabei spielt, dass mRNA in eine mobile Transportform überführt wird. Denn eine signifikante Anzahl von mobilen mRNAs in der Versuchspflanze weist diese spezielle Modifikation auf. War es Pflanzen durch eine experimentelle Veränderung nicht möglich, mRNA zu methylieren, waren die untersuchten mRNAs auch nicht mehr mobil.

„Wir konnten erstmalig zeigen, dass eine Cytosinbasen-Methylierung auch bei der mRNA eine Funktion hat. Diese Modifikation führt dazu, dass bestimmte mRNA-Moleküle, die in Blättern produziert werden, über das Phloem bis in die Wurzel transportiert werden“, erklärt Dr. Friedrich Kragler, beteiligter Wissenschaftler vom MPI-MP.

Fernsteuerung des Wurzelwachstums

In Experimenten wurde deutlich, dass das noch nicht alles ist: Die mobilen mRNAs werden nach ihrem Transport in die Wurzelzellen dort auch in funktionelle Proteine übersetzt. Die dadurch erzeugten Proteine (TCTP1, kurz für: TRANSLATIONALLY CONTROLLED TUMOR PROTEIN 1) kurbelten bei den Untersuchungen das Wurzelwachstum an. Bei veränderten Pflanzen, die keine m⁵C-Basen bilden können, zeigten sich keine Effekte auf das Wurzelwachstum.

Dies bestätigte die Hypothese, dass für die Fernsteuerung des Wurzelwachstums die Methylierung von Cytosin ausschlaggebend ist. Darüber hinaus ist die Mobilität der TCTP1 mRNAs erforderlich, damit TCTP1 in den Wurzeln als Wachstumsregulator agieren kann.

Gelungene interne Kommunikation

Das Team vermutet, dass die Pflanze durch diesen Mechanismus der internen Kommunikation das Blatt- und Wurzelwachstum aufeinander abstimmt. Das ist nötig, damit sich kein Pflanzenteil überproportional stark entwickelt und die zur Verfügung stehenden Ressourcen sinnvoll – und an die Umweltbedingungen angepasst – eingesetzt werden.