Einfluss der Pseudouridin-Modifikation auf die tRNA-Struktur

Ribonukleinsäuren (RNAs) sind Moleküle, die für alle bekannten Lebensformen und die meisten biologischen Funktionen essenziell sind. Sie bestehen aus den Nukleosiden Adenosin, Guanosin, Cytidin und Uridin. Allerdings nehmen alle lebenden Organismen in einem Prozess, der als RNA- Modifikation bekannt ist, Veränderungen an diesen Nukleosiden vor. Der Grund dafür ist, dass RNA- Modifikationen die Stabilität, Funktion und Aktivität von RNAs dramatisch beeinflussen und werden mit menschlichen Krankheiten in Verbindung gebracht. Daher ist es wichtig zu verstehen, welche Modifikation einen Einfluss auf welche biologische Funktion und welche Krankheit hat. Von allen RNA- Typen sind RNA-Modifikationen am häufigsten bei Transfer-RNAs (tRNAs) anzutreffen, die für die Proteinproduktion verantwortlich sind. In diesem vom FWF geförderten ESPRIT-Projekt werden wir die Auswirkungen zweier wichtiger Uridin-RNA-Modifikationen, nämlich Pseudouridin und N1- Methylpseudouridin, auf tRNAs untersuchen. Während Pseudouridin die häufigste RNA-Modifikation ist, ist N1-Methylpseudouridin eine nicht-natürliche Modifikation für eukaryotische tRNAs, wurde jedoch in vielen archaealen tRNAs gefunden. Diese beiden Modifikationen haben in letzter Zeit große mediale Aufmerksamkeit erregt, da sie während der COVID-19-Pandemie die Schlüsselakteure bei der Entwicklung von Boten-RNA-Impfstoffen (mRNA) waren. Insbesondere N1-Methylpseudouridin ermöglichte eine hohe Impfstoffeffizienz und verringerte unerwünschte Entzündungsreaktionen. In diesem Projekt fokussieren wir uns jedoch nicht auf den Einfluss der beiden Modifikationen auf mRNAs, sondern auf die strukturellen und funktionellen Eigenschaften von tRNAs. Bisher fehlten solche Studien, da die Mittel zur Analyse der komplexen Natur des tRNA-Systems nicht ausreichten. Obwohl die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) die beste Methode zur Untersuchung solcher Effekte ist, erfordert sie die Verwendung stabiler Isotope, um die NMR-Daten zu vereinfachen. Stabile Isotope sind seltenere (und daher teurere), nicht radioaktive Variationen desselben Elements mit unterschiedlicher Anzahl von Neutronen in ihrem Kern, was sie für NMR-Anwendungen wertvoll macht. Hier schlagen wir einen neuartigen Ansatz vor, bei dem wir relativ kostengünstige Reagenzien und eine hochoptimierte und effiziente chemoenzymatische Synthese nutzen, um Ziel-RNA- Modifikationen zunächst mit stabilen Isotopen von Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff zu markieren und sie dann in tRNA-Sequenzen einzubauen. Abschließend werden wir die tRNA- Sequenzen mittels NMR untersuchen, um herauszufinden, welche Auswirkungen die Ziel-RNA- Modifikationen auf die Struktur und Reaktivität von tRNAs haben, sowie nachvollzogen werden, warum die Natur solche Anstrengungen unternimmt, um sie in tRNAs einzubauen. Die Forschung wird in der Gruppe von Assoc. Prof. Christoph Kreutz durchgeführt, und auf seiner Expertise in isotopenmarkierter Synthese und biomolekularer NMR aufbauen.