Das biologische Netzwerk von Argonaute Nukleasen in Archaea

Die Ribonukleinsäure (RNA) ist ein wichtiger Baustein unseres Lebens, da sie als Zwischenprodukt durch die Ablesung eines Gens geformt und weiters in ein Protein umgeschrieben wird. Zudem existieren Viren, deren Genom nur aus RNA besteht. In eukaryotischen Zellen, also beispielsweise Menschen und Pflanzen, existieren ausgeklügelte molekulare Mechanismen, welche die Anzahl von RNA Mo lekülen in der Zelle verringern. Somit werden etwa fremde RNA Viren ausgeschaltet oder aber auch die eigene Proteinexpression reguliert. Letzteres trägt dazu bei, dass von spezifischen Genen nur zu bestimmten Zeiten im Zellzyklus nämlich dann wenn sie gebraucht werden die benötigte Menge an Proteinen produziert wird. Einer dieser Regulationsmechanismen ist die RNA interferenz (RNAi), welche über das Schlüsselenzym Argonaute (Ago) angetrieben wird. Agos binden an kurze RNA-Stücke, sogenannte "Guides", die eine Basenpaarung mit komplementären RNA Molekülen in der Zelle eingehen. Durch diese spezifische Erkennung ist es Agos möglich, bestimmte RNA Moleküle in der Zelle aufzuspüren. Während aktive Agos wie molekulare Scheren funktionieren und die gebundene RNA zerschneiden, sind manche Ago-Varianten inaktiv. Diese inaktiven Agos bleiben an das RNA Molek ül gebunden und hemmen so die Proteinsynthese. Im Kollektiv regulieren Agos eine Vielzahl an spezifischen RNA Molek ülen in eukaryotischen Zellen, auch in uns Menschen, was für unsere optimale Entwicklung und manchmal sogar für unser Überleben notwendig ist. Die Entdeckung des Ago-gesteuerten RNAi Wegs gilt als wissenschaftlicher Meilenstein und wurde mit dem Nobelpreis prämiert. Selbst wenn Agos als eukaryotisches Aushängeschild gelten, kommen sie auch in den einfachsten und ältesten Zellen unserer Erde vor, nämlich den Bakterien und Archaeen. Archaeen gelten als Vorfahren der ersten eukaryotischen Zelle, was bedeutet, dass Agos möglicherweise lange vor unserer Existenz in diesen Zellen entstanden sind und an uns weitervererbt wurden. Diese nahe Verwand tschaft wirft die Frage auf, ob diese Ago-Vorfahren auch in Archaeen der Genexpressionsregulation und Viren-Abwehr dienen, oder (zusätzlich) andere Funktionen ausüben. Biochemische Studien zeigen, dass archaeelle Argonauten ebenfalls kleine Nukleinsäuren für die Erkennung von Ziel-Molekülen verwenden. Anders als in Eukaryoten, können manche archaeelle Agos allerdings nicht nur RNA, sondern auch DNA mittels RNA oder DNA Guides erkennen. Abseits von biochemischen C harakterisierungen ist die biologische Funktion dieser Vorfahr-Agos jedoch weitgehend unerforscht. Diese Studie fokussiert sich darauf, die Funktionsweise von verschiedenen aktiven und inaktiven archaeellen Agos biochemisch und in der lebenden Zelle zu untersuchen. Somit kann ein umfassendes Bild der Rollen von aktiven und inaktiven archaeellen Agos erstellt werden, welches funktionale Unterschiede und Gleichheiten zu eukaryotischen Agos aufzeigen kann, und daher auch wichtige Einblicke in die Evolution ermöglicht.

RNA ist ein zentrales Molekül des Lebens: Sie entsteht als Zwischenprodukt bei der Ablesung eines Gens und wird anschließend in ein Protein übersetzt. In Eukaryoten, wie beispielsweise Menschen und Pflanzen, hilft ein Mechanismus namens RNA-Interferenz dabei, die Menge von RNA-Molekülen zu kontrollieren. Schlüsselenzyme der RNA-Interferenz sind Argonaute Proteine, die kurze RNA-Stücke ("Guides") binden, welche Ziel-RNA-Moleküle in der Zelle durch Basenpaarung erkennen. Zusammen mit weiteren Proteinen schneiden oder blockieren Argonauten die aufgestöberte Ziel-RNA. Diese RNA-Dosiskontrolle stellt sicher, dass Proteine zur richtigen Zeit und in der richtigen Menge produziert werden; außerdem werden über diesen Mechanismus auch RNA-Viren zerschnitten und ausgeschaltet. Argonaute Proteine finden sich nicht nur in komplexen Zellen, sondern auch in einfacheren, einzelligen Organismen wie Bakterien und Archaeen. Archaeen gelten als Vorfahren der ersten eukaryotischen Zelle, was bedeutet, dass Argonauten möglicherweise lange vor unserer Existenz in diesen Vorfahren-Archaeen entstanden sind und an uns weitervererbt wurden. Die Funktion von Argonauten in Archaeen und die Frage, ob sie mit ähnlichen Partnerproteinen wie ihre eukaryotischen Verwandten zusammenarbeiten, sind jedoch weitgehend ungeklärt. In meinem Schrödinger-Projekt habe ich die Funktion verschiedener Argonauten in Archaeen untersucht und analysiert, wie sie mit anderen Bestandteilen der Zelle vernetzt sind. Mithilfe biochemischer Experimente und Studien in lebenden Zellen konnten wir zeigen, dass archaeelle Argonauten in ein Netzwerk aus Proteinen und Nukleinsäuren eingebunden sind und nicht isoliert agieren. Die detaillierte Charakterisierung ihrer Interaktionspartner ist noch im Gange und wird in zukünftigen Publikationen beschrieben werden. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen haben Kolleg:innen aus meinem Schrödinger-Gastlabor (Wageningen University, Niederlande) und ich eine Technologie entwickelt und patentiert, die eine archaeelles Argonaute Enzym nutzt, um komplexe DNA-Proben "aufzuräumen". Beim Sequenzieren einer gemischten DNA-Probe kommen manche DNA-Abschnitte häufiger vor als andere. Diese häufigen Fragmente "verstecken" seltenere Sequenzen, die jedoch biologisch oder medizinisch wichtig sein können. In unserem Ansatz setzen wir das Argonaute Enzym ein, um die überrepräsentierte DNA abzubauen und so die Erkennung seltener DNA Sequenzen zu verbessern. So lässt sich etwa die DNA eines seltenen Mikroorganismus in einer komplexen Umweltprobe oder eine seltene Mutation in der DNA eines Organismus aufspüren. In Zusammenarbeit mit der Schleper Arbeitsgruppe (Universität Wien) habe ich außerdem ein weiteres System in Archaeen untersucht, das RNA angreift: ein Typ-III CRISPR-Cas System. Wie andere CRISPR-Cas Systeme wurde es bisher vor allem als Immunsystem betrachtet. Unsere Ergebnisse, die derzeit als Preprint veröffentlicht sind, deuten jedoch darauf hin, dass dieses System in dem von uns untersuchten Archaeon auch zelluläre RNA spezifisch abbauen und regulieren kann. Dies zeigt, dass ein archaeelles Immunsystem die Expression von Genen der Wirtszelle steuern kann und nicht nur zur Virusabwehr dient. Insgesamt liefern die Ergebnisse meines Schrödinger-Projekts wichtige neue Einblicke in die Funktion von Argonauten und anderen Immunsystemen in Archaeen, ihre Verknüpfung mit der Genregulation und ihr Potenzial für zukünftige Anwendungen.