Protein CHR2 als Multiplayer identifiziert

Neue Möglichkeiten für Krebsbekämpfung und Züchtung

18.06.2018 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

In der Landwirtschaft lassen sich über microRNAs Erträge und Qualität von Nutzpflanzen verbessern, z. B. beim Mais. (Bildquelle: © poliki / Fotolia.com)
In der Landwirtschaft lassen sich über microRNAs Erträge und Qualität von Nutzpflanzen verbessern, z. B. beim Mais. (Bildquelle: © poliki / Fotolia.com)

CHR2, das in zahlreichen Pflanzen, Tieren und auch beim Menschen vorkommt, verändert die Chromatinstrukur, ist aber auch am RNA-Stoffwechsel wesentlich beteiligt. Das konnten Wissenschaftler in einer aktuellen Studie zeigen. Die neuen Erkenntnisse könnten nicht nur für die Landwirtschaft und Viehzucht eine Rolle spielen, sondern auch beim Kampf gegen Krebs.

Kennen Sie den hinduistischen Schöpfergott Brahma? Er besitzt vier Köpfe und mehrere Arme und steht für Genialität und Kraft. Auch das Protein SWI2/SNF2 ATPase CHR2 wird von Wissenschaftlern gerne als “Brahma“ bezeichnet. Und das liegt nicht nur daran, dass sein offizieller Name so unaussprechlich ist. SWI2/SNF2 ATPase CHR2 ist ein Multiplayer, der an vielen lebenswichtigen Prozessen in Pflanzen, Tieren und auch beim Menschen beteiligt ist. Das geschieht unter anderem über die Herstellung von microRNAs.

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Fehlt das Protein CHR2, ändert sich die Pflanzenarchitektur. CHR2 ist an der Produktion von microRNAs beteiligt.

Bildquelle: © Texas A&M AgriLife Research photo

MicroRNAs sind winzige regulatorische RNA-Moleküle, die in multizellulären Organismen weit verbreitet sind. Beim Menschen hemmen microRNAs mehr als 60 Prozent der Gene. Das erste RNAi-Medikament zur Behandlung der familiären Amyloid-Polyneuropathie steht kurz vor der Zulassung.  Auch in Pflanzen modulieren microRNA viele Eigenschaften, wie z. B. die pflanzliche Architektur und Reaktionen der Pflanze auf widrige Umweltbedingungen. In der Landwirtschaft lassen sich über die kleinen Moleküle Erträge und Qualität von Nutzpflanzen und -tieren verbessern. So haben beispielsweise Saatgutunternehmen in den USA einen Mais entwickelt, der kleine RNAs produziert, die das Gen Snf7 des gefürchteten Maiswurzelbohrers blockieren und ihn damit abtöten.

Komponenten der microRNA-Fabrik

MicroRNAs werden in einer Art zellulärer Fabrik hergestellt. Ihr Rohstoff sind mehrere hundert bis tausend Basen lange Moleküle, die sich bevorzugt in Haarnadelstruktur anordnen. Hauptakteur in der microRNA-Fabrik ist ein Enzym namens Dicer, das, wie die englische Bezeichnung bereits verrät, die langen Rohstoffmoleküle in kleinere Stücke schneidet. Bei seiner Schneidearbeit wird Dicer von mehreren Assistenten unterstützt. Eines dieser Assistentenproteine ist das Serrate Protein. Dieses Protein nutzen nun Wissenschaftler als eine Art Köder, um nach weiteren Mitarbeitern in der microRNA-Fabrik zu suchen. „Wir fingen damit den Chromatin-Umbaufaktor 2 (CHR2),“ so Forscher Zhiye Wang, und weiter: „CHR2 treibt den SWI2/SNF2-Komplex über seine ATPase-Aktivität wie ein Motor an.“ Für die Herstellung von RNA aus DNA-Templates ist CHR2 unbedingt notwendig, da es ATP als Energieträger bereitstellt.  

CHR2 lockert Chromatin auf

Bekannt war bereits: „CHR2 lockert das Chromatin auf, wo die DNA dicht gepackt ist. Das ermöglicht der RNA-produzierenden Enzymen den Zugang zu den DNA-Matrizen, auf deren Vorlage sie RNAs zur Produktion von microRNAs herstellen“, so Wang, und weiter: „Was uns wirklich überrascht hat: Warum verlässt CHR2 sein Terrain im Chromatin und arbeitet zusammen mit Serrate in der microRNA-Fabrik?“

Um diesen Aspekt näher zu beleuchten, generierten die Wissenschaftler Pflanzen, denen das CHR2-Gen fehlte. Die Untersuchungen zeigten: Pflanzen ohne CHR2-Proteine besaßen auch weniger lange RNA-Ausgangsmoleküle zur Bildung von microRNAs. „Das haben wir auch so erwartet, denn das Chromatin ist ohne CHR2 nicht so gut zugänglich für die RNA-produzierenden Enzyme“, so Wang. Was die Forscher allerdings zunächst überraschte: Pflanzen ohne CHR2 enthielten mehr microRNAs als normale Pflanzen. Wie konnte das sein, wo das Ausgangsprodukt für die kleinen RNAs doch nur in geringen Mengen vorhanden war?

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Haarnadelstruktur eines microRNA-Vorläufermoleküls.

Haarnadelstruktur eines microRNA-Vorläufermoleküls.

Bildquelle: © Opabinia regalis - Self-created from this sequence (EF203471) using MFOLD/ wikimedia.org/ CC BY-SA 3.0

Protein mit zwei Gesichtern

„Die einzig mögliche Erklärung für dieses Phänomen: CHR2 muss zwei verschiedene „Gesichter“ haben: Im Chromatin fördert es die Bildung langer RNA Moleküle, in der microRNA-Fabrik ist es ein Störenfried, der die Produktion von microRNAs behindert“, so Wang. Um diese These zu überprüfen, mixten die Wissenschaftler CHR2 mit Dicer und microRNA-Substraten in unterschiedlichen Variationen. „In der Tat konnte das Schnittenzym Dicer die Ausgangsmoleküle der microRNAs nicht mehr schneiden, wenn CHR2 anwesend war“, so Wang. Denn CHR2 verändert offensichtlich die Form der microRNA-Ausgangsmoleküle so sehr, dass sie nicht mehr von Dicer geschnitten werden konnten. Dies erfordert allerdings die Anwesenheit einer ATPase. Denn als Wang und seine Kollegen CHR2 ohne die ATPase zum Cocktail hinzugaben, funktionierte Dicer einwandfrei.

Phänomen erstmals erklärbar

Mit ihrer Studie konnten die Wissenschaftler erstmals ein schon häufig zuvor beobachtetes Phänomen erklären: Die Menge an fertigen microRNAs stimmte in vielen Fällen nicht mit der Menge an Ausgangsmolekülen überein. Sie zeigt außerdem, dass die Sekundärstruktur der mircoRNA-Substratmoleküle einen eigenen Informationscode darstellen, der von CHR2 (und den Serrate-Proteinen) interpretiert werden muss, bevor die Schnittfabrik ihre Arbeit aufnehmen kann.

Dieser Aspekt ist vor allem deshalb interessant, weil die CHR2-ATPase und ihre Partner im SWI/SNF-Komplex an zahlreichen physiologischen Anomalitäten und Krankheiten bei Pflanzen und auch beim Menschen beteiligt sind. Über die externe Kontrolle dieses Faktors lassen sich also möglicherweise zahlreiche Prozesse positiv beeinflussen.

Beim Menschen gilt der SWI/SNF-Komplex als potenter Tumor-Suppressor. Mutationen in diesem Komplex wurden bei mehr als 20 Prozent aller humanen Krebsarten nachgewiesen. Der Proteinkomplex bietet daher einen vielfältigen Angriffspunkt – sowohl für die Krebsbekämpfung, aber auch für die Pflanzenzüchtung.

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