Mehr als nur ein simpler Code

Ein Protein ist ein Produkt aus vielen streng regulierten Prozessen in einer Zelle. Bevor ein Protein seine Funktion erfüllen kann, muss der dafür codierende Genabschnitt in mRNA transkribiert werden, diese gegebenenfalls prozessiert, transportiert und schlussendlich in einem aufwendigen Prozess translatiert werden. Die Übersetzung der mRNA in eine Abfolge von Aminosäuren, erfolgt durch das Ribosom. Das Ribosom ist ein riesiger Komplex bestehend aus 3 ribosomalen RNAs und mehr als 50 ribosomalen Proteinen. Dieser Komplex orchestriert das koordinierte Zusammenspiel von etwa 100 weiteren RNAs und Proteinen. Etwa 40% der gesamten zellulären Energie wird für die Proteinsynthese aufgewandt. So kompliziert und aufwendig der Prozess der Translation auch ist, umso einfacher scheint das Prinzip dahinter. Der kodierende Bereich der mRNA ist in Triplettcodons unterteilt. Jedes Codon ist spezifisch für eine Aminosäure. Damit der mRNA Code in eine Aminosäuresequenz umgeschrieben werden kann, werden Adapter, die tRNAs, benötigt. Somit gibt es für jedes Codon eine entsprechende tRNA, die mit der dazugehörigen Aminosäure beladen ist. Neben diesen sogenannten codierenden Codons gibt es auch drei Stopcodons (UAG, UAA und UGA), welche die Termination der Translation initiieren. Die codierenden Codons und auch die Stopcodons sind hoch konserviert und werden in fast allen Organismen und Organellen gleich dechiffriert. Obwohl das Grundprinzip der Translation einfach ist, scheinen weitaus komplexere Mechansimen beim korrekten Übersetzen des genetischen Codes eine wesentliche Rolle zu spielen. In diesem Projekt werden diese Mechanismen genauer untersucht. Es ist bekannt, dass in verschiedenen Organismen bestimmte Codons unterschiedlich oft verwendet werden und, dass sich die Zusammensetzung der tRNA Pools wesentlich unterscheidet. Es unterscheiden sich auch die Sequenzen der tRNAs und auch die RNA Modifikationen dieser. Mit Hilfe von verschiedenen nicht natürlichen Basenmodifikationen wird die Interaktion zwischen mRNA und der tRNA, welche die entscheidende Interaktion für das korrekte Decodieren ist, verändert oder auch geschwächt. Dadurch wird die Stringenz der Interaktion verringert und ermöglicht, Faktoren, die im Hintergrund eine wichtige Rolle während der Proteinsynthese spielen, in den Vordergrund zu bringen und zu analysieren. Diese Arbeit kann einen wertvollen Beitrag zur weiteren Aufklärung der Translationsprozesse leisten.

Die Proteinbiosynthese ist ein essentieller Prozess der dafür sorgt, dass in einer Zelle zu jeder Zeit alle benötigten Proteine in ausreichender Menge zur Verfügung stehen. Das Kernelement der Translation ist das Ribosom, welches die genetische Information in Form der mRNA in eine Aminosäuresequenz übersetzt. Dieser mehrstufige Prozess benötigt mehr als 100 unterschiedliche Komponenten, die aufeinander abgestimmt sein müssen. Ein zentraler Schritt der Proteinsynthese ist die Dekodierung der mRNA durch das Ribosom. Bei diesem Schritt wird ein Netzwerk an Interaktionen zwischen der mRNA, der tRNA und dem Ribosom ausgebildet, welches für das Erkennen der korrekten Codon/Anticodon-Interaktion notwendig ist. Ein Ziel dieses Projektes war die bessere Charakterisierung dieses Netzwerkes. Mit Hilfe von chemisch synthetisierten RNA Bausteinen konnten gezielt einzelne chemische Gruppen der mRNA Nukleotide manipuliert (und somit auch dieses Netzwerk an Interaktionen) und deren Auswirkung auf die Proteinsynthese untersucht werden. Die Ergebnisse dieser Studie implizieren, dass nur wenige der postulieren Wechselwirkungen für eine akkurate Proteinsynthese notwendig sind, sondern viel mehr die Geometrie der mRNA/tRNA Basenpaare wichtig ist. Ein weiteres Ziel des Projektes war den Einfluss von in der Literatur beschriebenen natürlichen mRNA Modifikationen auf die Translationselongation in humanen Zellen zu untersuchen. Mit neuen Technologien und Strategien wurden in den letzten Jahren eine Reihe von Modifikationen in kodierenden Sequenzen entdeckt aber nur teilweise funktionell untersucht. Ähnlich wie in von uns zuvor beschriebenen bakteriellen Systemen, erwiesen sich auch mRNA Modifikationen in humanen Zellen als potentielle Regulatoren der Genexpression. Abhängig von der Art der Modifikation und deren Position wurde die Effizienz der Translation unterschiedlich stark beeinflusst. Allerdings wurde die Genauigkeit des Ribosoms durch keine Modifikation erkennbar verändert. Gerade im Zuge der aktuellen Entwicklungen im Feld der mRNA Vakzine und Medikamente, die auch modifizierte Basen beinhalten, ist ein detaillierter Einblick in diesen Prozess von großem Interesse. Durch dieses Projekt konnten wir einen Beitrag zu einem besseren Verständnis der Proteinsynthese und den Einfluss einiger mRNA Modifikationen leisten.