Um zu überleben, ist es notwendig, sich zu verändern. Diese Fähigkeit wurde vor Milliarden von Jahren von einzelligen Organismen erlernt, die in extremen Hitzeumgebungen leben. In den letzten Jahrzehnten haben Studien über ihre Anpassungsmechanismen revolutionäre Technologien hervorgebracht, wie die schnelle Vervielfältigung von DNA (PCR), die Herstellung von hitzebeständigen Proteinen und sogar die Produktion von Biobrennstoffen und Chemikalien. Besonders bemerkenswert sind die Hyperthermophilen – Organismen, die in den Kratern von Vulkanen, hydrothermalen Schlucken und heißen Quellen zu finden sind, wo die Temperaturen über 80 Grad Celsius liegen.

Eine neue Forschungsmethode, entwickelt von Wissenschaftlern des Weizmann-Instituts für Wissenschaften, hat aufgedeckt, wie Hyperthermophile die RNA-Moleküle in ihrem Ribosom – der Zellfabrik zur Herstellung von Proteinen – umgestalten, um bei hohen Temperaturen überleben zu können. Diese Ergebnisse, veröffentlicht im wissenschaftlichen Journal Cell und unter der Leitung von Professor Sharga Schwartz, stellen die Annahme in Frage, dass grundlegende Lebensprozesse zwischen Arten und im Lebensverlauf gleichförmig sind. Solche Erkenntnisse könnten die Verbesserung RNA-basierter medizinischer und industrieller Technologien erleichtern und einige der Geheimnisse der langfristigen Arzneimittelentwicklung lüften.

Die Rolle des Ribosoms

Das Ribosom ist eine der ältesten und grundlegendsten biologischen Strukturen und ist in allen Lebensreichen – Archaeen, Bakterien und Eukaryoten – verbreitet. Vor mehr als 60 Jahren wurde entdeckt, dass ribosomale RNA-Moleküle nach ihrer Synthese in der Zelle chemischen „Editing“-Änderungen unterliegen. Aufgrund der Schwierigkeit, diese Veränderungen zu messen, war jedoch unklar, in welchem Maße sie zwischen den Arten oder in Abhängigkeit von den Umweltbedingungen variieren.

„Bis vor kurzem basierten die Annahmen hauptsächlich auf Studien an Hefe und Menschen. Man ging davon aus, dass das Editing der RNA in den Ribosomen von Individuen derselben Art einheitlich und nicht umweltabhängig ist“, erklärt Professor Schwartz aus der Abteilung für Molekulare Genetik am Institut. „In den letzten Jahren haben sich jedoch Hinweise angesammelt, dass das Editing unter Umständen dynamisch sein kann und eine Anpassung der Ribosomenstruktur an die Umwelt erlaubt. Die Durchführung umfassender Studien zur Bestätigung dieser Annahme wurde durch die Vielzahl der möglichen Modifikationen, die Schwierigkeit, sie zu identifizieren, und die Einschränkungen der bestehenden Methoden behindert, die oft nur die Analyse einer einzelnen Modifikation pro Probe erlaubten.“

Neue Methode zur Analyse von RNA-Editing

Eine neue Methode, entwickelt in Professor Schwartz’ Labor unter der Leitung von Dr. Miguel A. Garcia Campus, ermöglicht es, gleichzeitig 16 verschiedene Arten von Editing-Modifikationen in Dutzenden von RNA-Proben zu untersuchen und beschleunigt damit die Forschung zu RNA-Editing. Somit kartierten die Wissenschaftler erstmals die Editing-Modifikationen in 10 einzelligen Arten und verglichen sie mit vier zuvor untersuchten. Sie wählten insbesondere Arten aus, die unter extremen Umweltbedingungen überleben, darunter drei Hypertremophile, in der Annahme, dass ein Anpassungsmechanismus im Ribosom bei ihnen vorhanden sein könnte.

„Während die meisten Bakterien und Archaeen nur über Dutzende von Modifikationen in der ribosomalen RNA verfügen, fanden wir bei den hyperthermophilen Arten Hunderte von Editing-Änderungen“, beschreibt Professor Schwartz. „Es stellte sich heraus, dass je heißer die natürliche Umgebung des Organismus ist, desto mehr Editing-Änderungen er vornimmt.“

Untersuchungen zu Modifikationen in verschiedenen Umgebungen

Nachdem ein Unterschied zwischen verschiedenen Arten mit unterschiedlichen Lebensräumen festgestellt wurde, prüften die Wissenschaftler, ob dieselbe Art in der Lage ist, ihr ribosomales RNA neu zu bearbeiten und somit die Struktur des Ribosoms entsprechend den Umweltveränderungen während ihres Lebens zu ändern. Zu diesem Zweck wurden jede der Arten unter drei bis fünf verschiedenen Umgebungsbedingungen kultiviert. Bei einzelligen Organismen, die bei normalen Temperaturen leben, waren die meisten Editing-Änderungen konstant und von den Wachstumsbedingungen unabhängig. Hingegen war fast die Hälfte der Modifikationen bei den Hyperthermophilen dynamisch und traten an mehreren Stellen in den RNA-Molekülen auf, je höher die Temperatur war. Die Wissenschaftler schlossen daraus, dass Veränderungen in der Ribosomenstruktur nicht nur möglich sind, sondern auch einen wichtigen Anpassungsmechanismus darstellen.

Die Forscher identifizierten drei Arten von Änderungen, die systematisch und umfassend mit steigender Temperatur zunahmen. „Eine besonders überraschende Entdeckung war, dass eine dieser Modifikationen – die Hinzufügung einer Methylgruppe (Methylierung) – in den Hyperthermophilen fast immer zusammen mit einer weiteren Modifikation – der Hinzufügung einer Acetylgruppe (Acetylierung) – auftrat“, erzählt Professor Schwartz. „Dies regte die Hypothese an, dass diese Modifikationen zusammen wirken. Wir arbeiteten mit der Gruppe von Professor Sebastian Galat von der Jagiellonen-Universität in Krakau zusammen und untersuchten die Stabilität des RNA-Moleküls ohne Modifikationen, nach der Hinzufügung einer chemischen Gruppe, sei es Methyl- oder Acetylgruppe, und nach der simultanen Hinzufügung beider. Sowohl Methylierung als auch Acetylierung erwiesen sich als stabilisierende Effekte für RNA, jedoch ergab sich, dass, wenn sie zusammen wirken, der Gesamteffekt größer ist als die Summe der Teile.

Untersuchung der Ribosomenstruktur

Was jedoch noch unklar war, ist, wie das Editing die Struktur des Ribosoms verändert. Um dies zu überprüfen, arbeiteten das Forscherteam mit der Gruppe von Professor Moran Shalev Benami aus der Abteilung für Strukturbiologie und Chemie am Institut zusammen, die die Einzelpartikel-Kryoelektronenmikroskopie (cryo-EM) durchführte. Die Wissenschaftler kartierten das Ribosom eines hyperthermophilen Archaons in zwei Zuständen – einmal aktiv und bei hohen Temperaturen mit dem Methylierten Enzym und einmal inaktiv. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die bei hohen Temperaturen hinzugefügten Methylgruppen im gesamten Ribosom verteilt sind und verschiedene schwache Bindungen mit Molekülen in der Umgebung eingehen, wodurch die Struktur stabilisiert wird. Zudem identifizierten sie, dass es in den Bereichen, in denen Editing-Modifikationen vorgenommen wurden, weniger Lücken im Ribosom gibt, wodurch sozusagen „Löcher“ in der Struktur verschlossen werden.

Neue Erkenntnisse und zukünftige Entwicklungen

Die neuen Erkenntnisse enthüllen einen komplizierten Mechanismus, durch den subtile chemische Veränderungen im RNA-Molekül die strukturelle Stabilität erheblich verbessern können und es ermöglichen, in einer sich verändernden Umgebung zu funktionieren. Damit bieten sie eine mögliche Lösung für das Rätsel des „magischen Methylen“ – eine unerklärliche mehr als hundertfache Verbesserung der Effizienz mancher Medikamente, die bei der Hinzufügung einer Methylgruppe beobachtet wurde.

„Derzeit besteht die Möglichkeit, dass zumindest einige der Editing-Änderungen über das RNA-Molekül hinweg – wie Methylierung und Acetylierung – nicht isoliert sind, und dass wir versuchen sollten, sie als einen kontinuierlichen Code zu entschlüsseln“, sagt Professor Schwartz. „Unsere Forschung zur ribosomalen RNA trägt zum Verständnis der Beziehungen zwischen verschiedenen Editing-Änderungen bei, und die Methode, die wir entwickelt haben, wird die Erforschung vieler weiterer Veränderungstypen und neuer Arten beschleunigen und erweitern.“

„Viele RNA-basierte Technologien sind heute auf dem Markt oder in der Entwicklung – von Impfstoffen gegen Pandemien über Tests und Behandlungen von Krebs bis hin zu Werkzeugen für die Durchführung genetischer Bearbeitung in der Biotechnologie und der Medizin“, ergänzt er. „Der natürliche Editing-Prozess von RNA hat sich über Milliarden von Jahren entwickelt und das Enthüllen seiner Geheimnisse könnte die Entwicklung zuverlässigerer und effizienter RNA-basierter Technologien ermöglichen.“

An der Forschung waren auch Joe Georgeson, Dr. Ronit Nir, Dr. Vinithra Ayyar und Dr. Anatoli Kostenovich aus der Abteilung für Molekulare Genetik am Institut beteiligt; Dr. Robert Reichelt, Dr. Felix Grunberger, Nicholas Alexander, Professor Sebastian Pereira-Sarka und Professor Dina Grohmann von der Universität Regensburg in Deutschland; Dr. Kristin A. Pluck, Professor Bert W. Burkhart und Professor Thomas J. Santangelo von der State University of Colorado; Dr. Dona Mazov aus der Abteilung für Strukturbiologie und Chemie am Institut; Dr. Lauren Louis vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien; Dr. Sufoni Thalle Gamag‘, Dr. Sherin A. Haffey-Manaj und Dr. Jordan L. Meyer vom National Cancer Institute, Frederick, Maryland; Dr. Milan Grobak und Professor Jörg Vogel von der Universität Würzburg in Deutschland; Dr. Yuko Nobi und Professor Masato Takaoka von der Metropolitan University of Tokyo (TMU) in Japan; Jakub S. Novak von der Jagiellonen-Universität, Krakau, Polen; Munoog Parra, Alexander Apostol und Dr. Shiyou Fang von der Michigan Technological University (MTU), Houghton, Michigan; Dr. Gil Yona von der Abteilung for Scientific Life Infrastructure am Institut; und Professor Erik Westhof vom Institut für Molekulare und Zellbiologie (IBMC), Straßburg, Frankreich beteiligt.

Der Artikel wurde in der Reihe „Wissenschaftsmagie“ des Weizmann-Instituts veröffentlicht.