Die Rolle der lncRNAs bei der DNA Reparatur in Arabidopsis

DNA Schäden sind häufig und erfordern effiziente Reparaturmechanismen, damit die genetische Information bei Zellteilungen und an Nachkommen intakt weitergegeben werden kann. Während zahlreiche Reparaturproteine lange bekannt sind, wurden erst vor kurzem in verschiedenen Organismen auch kleine, nicht-protein-kodierende RNAs gefunden, die nur bei DNA Brüchen auftreten. Über ihre Herkunft oder Funktion ist jedoch wenig bekannt. Es ist zu erwarten, dass diese Moleküle aus längeren RNA-Vorstufen entstehen, deren Eigenschaften und Regulation aber ebenfalls noch aufzuklären sind. Pflanzen bieten sich für entsprechende Studien besonders an, da sie oft stark DNA-schädigenden Bedingungen ausgesetzt sind, z.B. bei intensiver UV Strahlung, und ein großes Repertoire an Reparaturmechanismen besitzen. Dazu bietet die Pflanzenforschung viele neu entwickelte molekulare und genetische Ansätze zu funktionalen Studien, die effizient, kostengünstig und ohne ethische Einschränkungen durchführbar sind. Das beantragte Projekt soll untersuchen, welche Rolle lange, nicht-protein-kodierende RNAs (da-lncRNAs, damage-associated long non-coding RNAs), die im Zusammenhang mit DNA Brüchen in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana entstehen, bei der Reparatur der Schäden spielen. Mehrere Kandidaten solcher Moleküle, die bei DNA Brüchen gebildet werden, wurden von den Antragstellerinnen bereits identifiziert. Das Projekt soll die folgenden Fragen beantworten: (1) Wie werden diese RNAs gebildet und umgewandelt? (2) Was sind ihre Funktionen im Reparaturprozess? Zur ihrer Beantwortung werden die da-lncRNAs auf ihre Herkunft im Genom, ihre Struktur, die Kontrolle ihrer Entstehung und ihre Umwandlung in kleinere Produkte untersucht. Um ihre Funktion zu verstehen, sollen ihre Entstehung in den Pflanzen verringert bzw. gesteigert werden, um danach die Fähigkeit zur DNA Reparatur und die Konsequenzen für die bekannten Reparaturmechanismen zu bestimmen. Die mit DNA Schäden verbundenen kleinen RNAs in Tieren und Pflanzen sind noch nicht lange bekannt, und über ihre Entstehung und die vermuteten Vorstufen fehlt jegliche Information. Deshalb kann das Projekt ein bislang unbearbeitetes Feld eröffnen und im Erfolgsfall neue und wichtige Beiträge zu dem Verständnis leisten, wie Pflanzen ihre genetische Information bewahren. Das ist ein zentraler Prozess sowohl in der natürlichen Evolution als auch in der Pflanzenzüchtung.

Die Rolle langer nicht-proteinkodierender RNA während der DAN Reparatur in Arabidopsis Ständig vorkommende DNA Schäden erfordern schnelle Reparaturmechanismen, um die genetische Information bei der Zellteilung fehlerfrei an die Nachkommen weiterzugeben. Während zahlreiche Reparaturproteine bereits bekannt sind, ist eine Mitwirkung langer nicht-proteinkodierender RNA (lncRNA) bei der DNA Reparatur in verschiedenen Organismen (einschließlich Pflanzen) erst seit kurzem beschrieben. Die molekularen Mechanismen und die biologische Funktion der lncRNAs bei der pflanzlichen DNA Reparatur sind aber weitgehend unbekannt. Deshalb hatte das Projekt zum Ziel, diese Fragen mit Hilfe der Modellpflanze Arabidopsis thaliana zu beantworten. Das Projekt hatte zwei Zielsetzungen: 1) Identifikation reparatur-assoziierter lncRNAs (da-lncRNA) und 2) Aufklärung von deren biologischer Funktion bei der DNA Reparatur. Ich habe vier da-lncRNAs identifiziert, die nach DNA Schäden induziert werden. Ihre Transkription benötigt ATM, ein Protein, welches die Notwendigkeit von DNA Reparatur signalisiert. Diese Abhängigkeit bestätigt den Zusammenhang der da-lncRNAs mit DNA Schäden. Als Basis für funktionelle Studien habe ich mehrere transgene Linien generiert, in denen die Expression der da-lncRNAs im Falle von DNA Schäden entweder verringert oder verstärkt wird. Die Verhinderung der da-lncRNA Expression verändert Wachstum und Entwicklung der Pflanzen nach DNA Schädigung, was die Hypothese über deren aktive Rolle im Reparaturprozess unterstützt. Weitere Experimente sind in Arbeit, um das Reparaturpotential der Pflanzen mit modifizierter da-lncRNA Expression zu untersuchen. Zusätzlich versuche ich, interagierende Komponenten der da-lncRNAs zu finden, um zu bestimmen, bei welchem Schritt in der DNA Reparatur sie beteiligt sind.