Mitochondriale tRNAs und ihre Funktion im nukleären Genom

Transfer RNAs (tRNAs) gehören zu den evolutionär ältesten Nukleinsäuren (RNA Molekülen). In der Zelle dienen tRNAs als Adaptormoleküle um Aminosäuren, mit denen sie beladen werden, an das Ribosom zu bringen, wo diese Aminosäuren dann zu Proteinen verknüpft werden. Die Bindung der tRNAs an das Ribosom wird über sogenannte Boten RNAs vermittelt (mRNAs), welche ebenfalls an das Ribosom binden und mittels Basenpaarung mit tRNAs (auch als Kodon-Antikodon Interaktion bezeichnet) die Abfolge der ans Ribosom gebrachten Aminosäuren bestimmen. Es existieren dabei zwei Arten von tRNA Genen: zum einen sind diese Gene im Zellkern kodiert, werden von dort von der Kern-DNA abgelesen, danach in das Zellzytoplasma transportiert und binden anschließend dort an die oben genannten Ribosomen. Die Kraftwerke der Zelle, auch als Mitochondrien bezeichnet, welche zur Energiegewinnung dienen, enthalten ein eigenes mitochondriales Genom auf dem eigene mitochondriale tRNA Gene (mtRNA Gene) kodiert sind, welche für die Proteinsynthese in Mitochondrien benötigt werden. Im Laufe der Evolution wurden nun mitochondriale Genomstücke in das Genom des Zellkerns integriert, unter anderem auch mitochondriale tRNA Gene. Lange Zeit war die Frage ungeklärt, welche Funktion diese mitochondrialen tRNA Gene im Zellkern haben könnten. Kürzlich konnte unsere Arbeitsgruppe dabei zeigen, dass mtRNA Gene, welche in sogenanntenIntron-SequenzenvonmRNAsimZellkern lokalisiert waren, das Herausschneiden der Intron-Sequenzen begünstigten, was zu einer Erhöhung der Menge der betreffenden mRNAs und damit zu einer erhöhten Proteinmenge führte. Allerdings existieren nicht nur mtRNA Gene in Intron-Sequenzen im Kerngenom sondern auch solche, welche zwischen den Kerngenen lokalisiert sind, also außerhalb von Intron-Sequenzen. Dabei gibt es bereits zahlreiche Beispiele, dass tRNAs generell in der Evolution neue Funktionen erworben haben, die für das Überleben einer Zelle oder bestimmten Geweben (Gehirn) nötig und wichtig sind. Die Fragen, welche wir nun im vorliegenden Projektantrag klären wollen sind daher: welche Funktionen haben diese mtRNA Gene im Kerngenom und wo sind diese Funktionen lokalisiert, also z.B im Zellkern oderimZytoplasma. Mitverschiedensten molekularbiologischen Methoden wollen wir diese Fragen beantworten um neue und noch unbekannte Funktionen dieser faszinierenden mitochondrialen tRNA Gene zu entdecken.

Unsere Forschungsarbeit beleuchtet die potenzielle Erweiterung des humanen nukleären Genoms durch mitochondriale Transfer-RNAs (tRNAs) Gene und untersucht deren mögliche Funktionen sowie ihre Integration und Verarbeitung im Zellkern. Menschliche Zellen speichern den Großteil ihrer genetischen Information im Kerngenom, von wo aus essenzielle Lebensprozesse gesteuert werden. Eine Ausnahme bilden die Mitochondrien auch als "Kraftwerke der Zelle" bekannt, die für die Energieproduktion zuständig sind und ein eigenes Genom besitzen. Sie sind die einzige Quelle genetischer Information außerhalb des Zellkerns in menschlichen Zellen. Die heutige Form der Mitochondrien geht auf eigenständige Bakterien zurück, die im Zuge der Evolution von Zellen aufgenommen und integriert wurden. Im Laufe dieser Entwicklung wurde ein Großteil der mitochondrialen DNA in den Zellkern verlagert, während einige essenzielle Gene weiterhin im mitochondrialen Genom erhalten blieben und aktiv genutzt werden. Das menschliche Genom ist ein dynamischer Speicher. Während lebenswichtige Gene durch verschiedene Mechanismen vor Mutationen geschützt werden, tauchen immer wieder neue genetische Elemente auf. Dazu gehören auch Fragmente des mitochondrialen Genoms, die an unterschiedlichen Stellen in das Kerngenom integriert wurden. Unsere Forschung konzentrierte sich auf mitochondriale tRNA Gene, die ihren Weg ins Kerngenom gefunden haben und dort im intergenen Raum - also zwischen verschiedenen Genen - eingebettet sind. Diese speziellen tRNAs werden von uns als inter-nmtRNAs bezeichnet. Die primäre Funktion von tRNAs besteht darin, als Adaptermoleküle zwischen RNA und Protein zu fungieren. Sie ermöglichen es der Zelle, genetische Information aus der RNA zu lesen und in Proteine zu übersetzen. Durch bioinformatische Analysen von Sequenzdaten aus verschiedenen Zelltypen konnten wir nachweisen, dass inter-nmtRNAs tatsächlich existieren und exprimiert werden. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen, führten wir weitere Experimente durch, um ihre potenzielle Funktion genauer zu untersuchen. Dabei stellten wir fest, dass inter-nmtRNAs im Zellkern transkribiert und prozessiert werden können - obwohl die für diesen Prozess benötigten Proteine in Struktur und Erkennungsmustern von jenen in den Mitochondrien abweichen. Zudem konnten wir zeigen, dass inter-nmtRNAs aus dem Zellkern exportiert werden und auch außerhalb des Kerns stabil vorliegen. Allerdings werden sie nicht mit Aminosäuren beladen und können daher nicht direkt an der Proteinbiosynthese teilnehmen. Interaktionsanalysen zwischen RNA und Proteinen ergaben jedoch, dass inter-nmtRNAs in hohem Maße dieselben Proteine binden wie ihre mitochondrialen und nukleären Homologe. Sie könnten damit z.B. als Kompetitoren für die nukleären tRNAs dienen und somit regulatorische Funktionen ausüben.