Bedeutung von 5-Methylcytosin in mRNA

Genetische Information, die in der DNA gespeichert ist, wird über eine komplexe Folge an Abläufen in das Endprodukt Protein übersetzt. Dies beginnt mit der Übersetzung der Information in der DNA in das Botenmolekül mRNA, involviert das korrekte Prozessieren der mRNA, ihren Transport zu den Proteinfabriken der Zellen, den Ribosomen, und endet schließlich in der Herstellung eines Proteins anhand des vorgegebenen Bauplans in der mRNA. Damit diese Vorgänge reibungslos funktionieren und den jeweiligen Anforderungen einer Zelle bzw. eines Organismus gerecht werden können, wird eine Vielzahl an Regulationsmechanismen benötigt. Einer dieser Mechanismen ist die Modifikation des mRNA Botenmoleküls. Dadurch kann unter anderem das weitere Schicksal der mRNA entscheidend beeinflusst werden. Diese Art der Regulation wird daher auch epitranskriptomische Regulation genannt. Das Feld der Epitranskriptom Forschung ist ein noch junges Gebiet und, obwohl in der jüngsten Vergangenheit bemerkenswerte Fortschritte erzielt wurden, bleiben große und wichtige Fragestellungen offen. Eine der Fragen, die noch wenig untersucht worden sind, ist die nach der Bedeutung der Methylierung von Cytosin Bausteinen in der mRNA. Im aktuellen Forschungsprojekt soll die Funktion und biologische Bedeutung der Cytosinmethylierung unter Verwendung von Zell-basierten und biochemischen Methoden untersucht werden. Die Ergebnisse dieser Studien sollten unser Wissen um das Epitranskriptom entscheidend erweitern. Damit wird nicht nur das Verständnis grundlegender regulatorischer Vorgänge in der Zelle verbessert, dieses Wissen kann auch weitreichende Auswirkungen auf verschiedene andere Forschungszweige haben und es können sich neue diagnostische und therapeutische Möglichkeiten eröffnen.

In unserem Projekt wollten wir herausfinden, wie eine chemische Markierung auf der mRNA den Weg vom Gen zum Protein beeinflusst. Dieser Weg umfasst die Herstellung einer Kopie (= mRNA) aus der DNA, deren Verarbeitung und Verpackung, den Transport zu den Ribosomen und die Übersetzung in ein Protein. Damit das alles richtig funktioniert, fügen Zellen der mRNA nach ihrer Herstellung Signale hinzu in einem Vorgang, der als epitranskriptomische Regulation bezeichnet wird. Obwohl die verbreitete Annahme beinhaltet, dass diese Markierungen das Schicksal jeder mRNA beeinflussen, ist ihre Wirkung noch nicht geklärt. Ein wichtiges Enzym, das eine dieser epitranskriptomischen Markierungen - m5C - an mRNA anbringen kann, ist Nsun2. In diesem Projekt haben wir unter anderem untersucht, wie es den Lebenszyklus der mRNA beeinflusst. Eine wichtige Erkenntnis unserer Studien war, dass Nsun2 den Umsatz von mRNA während der Differenzierung stark steuert. Die Entfernung von Nsun2 führte bei vielen mRNAs zu einer Veränderung der Geschwindigkeit ihrer Produktion und ihrer Lebensdauer. Die Gesamtmenge dieser mRNAs in der Zelle änderte sich oft jedoch kaum. Das zeigt, dass es eine starke Pufferwirkung gibt: Wenn die Produktion stieg, wurde auch mehr abgebaut und umgekehrt. Dadurch blieben die Gesamtkonzentrationen fast gleich. Überraschenderweise setzen die Wirkungen von Nsun2 keine weit verbreiteten m5C-Markierungen auf der mRNA voraus. Mithilfe einer verbesserten Methode zur Methylierungsmessung fanden wir nur sehr wenige m5C-Stellen in den spezifischen mRNAs, deren Umsatz sich in Abwesenheit von Nsun2 veränderte. Dies spricht gegen ein einfaches Modell, in dem Nsun2 diese Botschaften markiert und ihr Schicksal direkt über m5C bestimmt. Stattdessen deuten unsere Daten darauf hin, dass Nsun2 den mRNA-Umsatz über andere Wege beeinflusst, wahrscheinlich unter Einbeziehung der Translation, d.h. der Proteinherstellung. Unsere Studie deckte ferner auf, dass die Zelldifferenzierung - also die Entwicklung von Stammzellen in funktionell spezialisierte Zellen - selbst die mRNA-Dynamik umprogrammiert. Selbst ohne genetische Veränderungen führen frühe Schritte der Differenzierung von Stammzellen zu neuronalen Zellen zu einer allgemeinen Verlangsamung der mRNA-Produktion und einer allgemeinen Zunahme der mRNA-Stabilität. Zu Beginn dieses Prozesses treten zunächst Veränderungen in der Produktion auf; später dominieren Veränderungen in der Stabilität; schließlich finden gleichzeitige, aber gegenläufige Veränderungen der beiden Parameter statt. Dennoch blieben die mRNA-Spiegel vergleichsweise stabil, was auf eine weitreichende Pufferung im gesamten Transkriptom hindeutet. Zusammengenommen liefern diese Ergebnisse eine klare Botschaft: Nsun2 ist ein wichtiger Regulator des mRNA-Umsatzes während eines entscheidenden Übergangs im Zellschicksal, doch sein Einfluss ist weitgehend unabhängig von der direkten Cytosinmethylierung an den betroffenen mRNAs. Stattdessen wirkt Nsun2 wahrscheinlich über Verbindungen zur Proteinproduktion und steuert so indirekt, wie Botschaften gebildet und entfernt werden. Dies trägt zum besseren Verständnis der epitranskriptomischen Regulation bei und eröffnet neue Wege zur Erforschung menschlicher Erkrankungen, bei denen Nsun2 oder damit verbundene Signalwege fehlreguliert sind.