Rolle der Variation der langen ncRNAs in A. thaliana

Was unterscheidet uns von einander? Biologie und insbesondere Genomforschung versucht, diese Frage zu beantworten. Unser Genom und die Genome anderer Organismen können in RNA transkribiert werden und dann werden die Proteine die Bausteine des Organismus durch die Translation gebaut. Die Stückchen des Genoms, die für verschiedene Proteine codieren, werden Protein-kodierende Gene genannt und gelten seit langem als die wichtigsten Informationen, die das Genom enthält. Allerdings haben wir in den letzten Jahrzehnten erkannt, dass auch die nicht-Protein-kodierende Teile des Genoms sehr wichtig sind. Sie führen zu einer Menge RNAs, nicht-kodierende RNAs, die sich niemals zu Proteinen verwandeln. Einige von ihnen haben gezeigt, dass sie viele wichtige Prozesse in der Zelle regulieren. Eine Klasse solcher RNA-Moleküle nennt man lange nicht-kodierende RNAs (lncRNAs) und sie haben eine sehr interessante Geschichte: Sie sind überall im Genom zu finden, konnten aber mit den derzeitigen Technologien nicht richtig identifiziert werden. Jetzt wissen wir, dass es > 60.000 lncRNA-Gene im menschlichen Genom gibt und Hunderte oder Tausende in vielen anderen Organismen existieren. Diese Gene scheinen, andere Gene durch viele verschiedene Mechanismen zu regulieren. Zum Beispiel können sie bestimmte chemische Modifikationen an anderen Genen verursachen, die das Ziel-Gen inaktivieren, ohne seine genetische Sequenz zu verändern. Solche Modifikationen werden heutzutage als epigenetisch klassifiziert. Neuere Studien haben gezeigt, dass lncRNAs in einer personenspezifischen Weise exprimiert werden, d.h. ihre natürliche Expressionsvariation ist sehr hoch, während die bei Protein- codierende Genen konstanter ist. Können lncRNAs zu unseren Unterschieden beitragen, wenn sie sich zwischen verschiedenen Personen unterscheiden? Dies ist die Hintergrundfrage zu diesem Projekt. Menschen sind schwierig, experimentell zu studieren, aber grundlegende Fragen können durch Experimente an Modellorganismen beantwortet werden, da alle Lebensformen auf der Erde grundsätzlich viel gemeinsam haben. Das beste Modellsystem zur Untersuchung natürlicher Variation sind Pflanzen. Forschung an Pflanzen hat dazu beigetragen, viele grundlegende Aspekte über die Funktion des Genoms zu entschlüsseln. Die am häufigsten verwendete Pflanze ist Arabidopsis thaliana - eine kleine Blume, die überall in Europa wächst. Unsere Ziele innerhalb dieses Projektes, sind es, eine Sammlung dieser Pflanzen aus fast 1000 verschiedenen geografischen Standorten zu nutzen, um die lncRNA-Variation zu analysieren. Einzelne Mitglieder dieser Sammlung haben leicht unterschiedliche Genome, genau wie bei Menschen. Wir werden versuchen zu verstehen, welche genomischen und epigenetischen Unterschiede die individuell variable lncRNA-Expression verursachen und wie sich diese Variabilität auf die Expression anderer Gene, epigenetischer Markierungen und auf verschiedene Merkmale der Pflanzen (Phänotypen), z.B. die Pathogen-Resistenz, auswirkt. Ich werde genetische Manipulationsexperimente durchführen, um funktionelle Rollen für einige interessante lncRNAs zu zeigen. Pflanzen können sich nicht bewegen und die Anpassung an ihre Umwelt ist für sie überlebenswichtig. Ich werde die Daten und die im Projekt erzeugten Analysen verwenden, um lncRNAs zu finden, die an dieser Anpassung beteiligt sein könnten.

Was in unserer DNA macht uns zu dem, was wir sind und was uns voneinander unterscheidet? Die Biologie und insbesondere die Genomforschung versuchen, diese Fragen zu beantworten. Das Genom (unsere DNA) kann in RNA transkribiert und dann in Proteine - die Bausteine des Organismus - übersetzt werden. Aber beim Menschen kodieren nur 2% der DNA für Proteine. Was machen die anderen 98%? Ist das nutzloser "Ramsch" oder ist das eine Anleitung, wie, wo und wann man die kostbaren 2 % richtig einsetzt? Die kurze Antwort lautet, wie so oft: Es ist beides. Vor etwa 30 Jahren entdeckten Wissenschaftler, dass es neben den klassischen proteinkodierenden Genen auch Gene gibt, die keine Proteine kodieren, sondern nur RNA herstellen. Diese wurden Long Non-Coding RNAs (lncRNAs) genannt, und darum geht es in diesem Projekt. Vor 10 Jahren ist es klar geworden, dass lncRNAs keine seltsamen Erscheinungen sind, sondern Tausende von ihnen füllen die Genome von fast jedem Organismus auf der Erde. Das junge Feld der lncRNA-Forschung versucht, diese Gene und ihre Aufgaben zu verstehen. Dieses Projekt konzentrierte sich auf ein Unkraut namens Arabidopsis thaliana. Niemand kennt diese kleine Pflanze außer Pflanzenwissenschaftlern, für die sie wie eine Labormaus ist - ein Modellorganismus. Diese Pflanze wächst an vielen Orten: in Amerika, Spanien, Schweden und sogar in Afrika. Unser Labor und unsere Kolleg*innen aus Deutschland und Amerika sammelten diese Pflanzen auf der ganzen Welt, um die natürliche Variation zu untersuchen: was sind die Unterschiede in den Genen, werden Gene unterschiedlich exprimiert? Mein Projekt fragte: Unterscheiden sich lncRNAs zwischen den Schwesterpflanzen: wie viel und warum? Als ich anfing, waren in A.thaliana nur 4000 lncRNAs bekannt, aber die Analyse von 500 A.thaliana-Linien aus der ganzen Welt ermöglichte es mir, 10000 weitere lncRNA-Gene zu entdecken. Wir haben festgestellt, dass das Genom von lncRNAs ganz voll, aber sie schweigen meistens in einer bestimmten Linie oder einem bestimmten Gewebe. Darüber hinaus drückt jede Linie einen ziemlich einzigartigen Satz dieser nicht codierenden Gene aus, als wäre es eine Art Strichcode - sehr individuell. Wir waren sehr daran interessiert zu verstehen, was lncRNAs zwischen den Pflanzen aus verschiedenen Regionen so variabel macht, während die gewöhnlichen (proteinkodierenden) Gene viel stabiler waren. Es stellt sich heraus, dass ein Aufruhr im Gange ist und dass verschiedene lncRNAs durch viele verschiedene Mechanismen zum Schweigen gebracht werden können. Darüber hinaus können diese Mechanismen in jeder Linie unterschiedliche lncRNAs beeinflussen. Kurz gesagt, eine Kombination aus genetischen Mutationen einzelner genetischer Buchstaben sowie Bewegung, Löschung oder Einfügung ganzer Teile des Genoms, aber auch massive Variation epigenetischer Modifikationen - diese chemischen Modifikationen der DNA und der Proteine, um die die DNA gewickelt ist , unterliegen alle der extremen Variation von lncRNAs.