Zirkuläre RNA reguliert in Weizen Trockenstress

CircRNAs – die Neuen im Bunde

23.06.2017 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Erhalten Pflanzen nicht genügend Wasser, geraten sie unter Stress und reduzieren überlebenswichtige Stoffwechselvorgänge. (Bildquelle: © Leo Lintang/Fotolia.com)
Erhalten Pflanzen nicht genügend Wasser, geraten sie unter Stress und reduzieren überlebenswichtige Stoffwechselvorgänge. (Bildquelle: © Leo Lintang/Fotolia.com)

Sie sind klein und rund, erst vor kurzem entdeckt worden und wahrscheinlich sehr wichtig für den pflanzlichen Stoffwechsel: Zirkuläre RNAs wirken wie kleine Schwämme, die andere regulatorische RNAs einfach „aufsaugen“. Eine aktuelle Studie zeigt, dass die kleinen Ringe auch an der Reaktion auf Trockenstress bei Weizen beteiligt sind.

Noch bis vor etwa 20 Jahren ging man davon aus, dass nicht für ein Protein codierende DNA funktionsloser „Genschrott“ ist. Diese Annahme hat sich in den letzten Jahren grundlegend geändert, als klar wurde, dass zahlreiche DNA-Abschnitte nur bis ins RNA-Stadium prozessiert werden und diese – meist kleinen – RNAs wichtige Funktionen in den betreffenden Organismen übernehmen.

Unter den vielfältigen Variationen der Ribonukleinsäure (RNA) entdeckten Wissenschaftler im Jahr 2012 die sogenannten zirkulären RNAs (circRNAs) beim Menschen. Dabei handelt es sich um meist nicht Protein-codierende RNAs, die im Gegensatz zu den Mikro-RNAs (miRNAs) weder ein 3‘- noch ein 5‘- Ende besitzen. Ihre geschlossene Ringform verleiht ihnen im Vergleich mit den linearen siRNAs und miRNAs mehr Widerstandskraft gegenüber Exonukleasen.

CircRNA als Biomarker oder therapeutische Angriffspunkte

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Weizen ist eine der wichtigsten Nahrungspflanzen weltweit. CircRNAs könnten bei Pflanzen – ähnlich wie beim Menschen – möglicherweise als Biomarker dienen, mit denen sich der Status der Pflanzen bei biotischem und abiotischen Stress bestimmen lässt.

Weizen ist eine der wichtigsten Nahrungspflanzen weltweit. CircRNAs könnten bei Pflanzen – ähnlich wie beim Menschen – möglicherweise als Biomarker dienen, mit denen sich der Status der Pflanzen bei biotischem und abiotischen Stress bestimmen lässt.

Quelle: © pixabay/ CC0

Nach ihrer Entdeckung im Menschen wurden die circRNAs auch bei Archaeen, dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans und Mäusen nachgewiesen. Untersuchungen zeigten, dass circRNAs wahrscheinlich die Transkription anderer Gene regulieren. Dabei fungieren sie wie Schwämme, die die miRNAs oder miRNA-regulierende Proteine regelrecht „aufsaugen“ und sie damit blockieren. Beim Menschen stehen circRNAs in Verbindung mit Krebs und neurologischen Erkrankungen wie Alzheimer. Aktuell wird ihr Potential als diagnostische Biomarker und als therapeutische Angriffspunkte untersucht.

Funktionen der pflanzlichen circRNAs noch weitgehend ungeklärt

Auch bei Pflanzen wurden mittlerweile circRNAs nachgewiesen. Welche Funktionen sie dort einnehmen, ist weitgehend unbekannt. So gibt es bisher keine Untersuchungen, die eindeutig zeigen, dass circRNAs an Regulationsprozessen beteiligt sind. Da manche circRNAs jedoch in bestimmten pflanzlichen Geweben und Organellen gehäuft vorkommen, gehen Wissenschaftler davon aus, dass die kleinen RNA-Ringe die zelluläre Entwicklung durch ihre gewebe- bzw. organellenspezifische Expression beeinflussen.

Dabei scheinen circRNAs auch an pflanzlichen Stressreaktionen beteiligt zu sein. Obwohl es bisher noch keine funktionalen Studien gibt, wurden einige pflanzliche circRNAs insbesondere unter abiotischen und biotischen Stressbedingungen nachgewiesen. Dazu gehören beispielsweise Frostschäden, Trockenheit oder Nährstoffmangel.

CircRNAs an Reaktion auf Trockenstress bei Weizen beteiligt

Wissenschaftler haben nun die Rolle von circRNA bei Weizenpflanzen (Triticum aestivum L.) unter Trockenstress näher untersucht. Dazu isolierten sie die gesamte RNA von Weizenkeimlingen, die entweder ausreichend Wasser hatten oder Trockenstress ausgesetzt waren. Mit Hilfe einer Tiefensequenzierung und bioinformatischen Methoden identifizierten die Forscher 88 verschiedene circRNAs in den Blättern der Weizenkeimlinge. 62 davon wurden bei Trockenstress anders exprimiert als bei normaler Bewässerung der Pflanzen. Von diesen 62 circRNAs agieren offenbar 6 circRNAs als miRNA Schwämme, die spezifisch 26 verschiedene miRNAs „aufsaugen“ können.

Stoffwechselanalysen zeigten zudem, dass die circRNAs in schlecht bewässerten Weizenpflanzen eine ganze Reihe von Stoffwechselvorgängen mitregulieren. Dazu gehören die Photosynthese, der Porphyrin- und Chlorophyllmetabolismus, die oxidative Phosphorylierung, die Biosynthese von Aminosäuren und die pflanzliche Hormon-Signal-Übertragung. Die Untersuchungen legen nahe, dass die circRNAs im Weizen mit den Reaktionen der Getreidepflanze auf Trockenstress verbunden sein könnten.  

CircRNAs möglicherweise wichtige regulatorische Moleküle

Die Erforschung der circRNAs steckt vor allem im Pflanzenreich noch in den Kinderschuhen. Zukünftige Forschungsprojekte werden zeigen, welche äußeren Signale die Anhäufung von circRNAs in bestimmten Pflanzenteilen hervorrufen und wie die circRNAs dort wieder abgebaut werden. Zudem könnten circRNAs bei Pflanzen – ähnlich wie beim Menschen - möglicherweise als Biomarker dienen, mit denen sich der Status der Pflanzen bei biotischem und abiotischen Stress bestimmen lässt.

„Wir vermuten, dass sich circRNAs als elementare Klasse unter den nichtcodierenden RNAs entpuppen könnten“, mutmaßen die Wissenschaftler der aktuellen Weizenstudie. Ob sie Recht behalten, werden zukünftige Forschungsvorhaben zeigen.

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