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Kalmare verändern ihre Genexpression auf einzigartige Weise
Kalmare können die Bauanleitungen für Proteine nachträglich umschreiben, ohne ihre DNA zu verändern. Eine umfassende Untersuchung hat jetzt knapp 8.000 solcher Änderungen in mehr als 2.000 Proteinen nachgewiesen. Sie beeinflussen unter anderem deren Stabilität, Aktivität und Aufenthaltsort innerhalb der Zelle und können sogar Prozesse in den Mitochondrien verändern.
San Francisco (U.S.A.). Der Bauplan für die Proteine eines Lebewesens liegt in seiner DNA. Damit die Zelle diese Eiweiße herstellen kann, überträgt sie die genetischen Informationen zunächst auf RNA-Moleküle, die als Bauanleitung dienen. Bei Kalmaren, Kraken und Sepien werden solche RNA-Botschaften allerdings ungewöhnlich häufig nachträglich verändert.
Sogenannte ADAR-Enzyme können in der RNA einzelne Bausteine umwandeln. Dadurch werden bei der Herstellung der Proteine möglicherweise andere Aminosäuren eingebaut, obwohl die Gene selbst unverändert bleiben. Dass Kopffüßer diese RNA-Bearbeitung besonders intensiv nutzen, ist schon länger bekannt. Welche Folgen die vielen Änderungen tatsächlich für die Proteine und die Zellen haben, war dagegen weitgehend unklar.
Forscher der University of California, San Francisco (UCSF) um Dr. Danielle L. Swaney haben nun das Proteininventar des Kalmars Doryteuthis pealeii untersucht. Sie analysierten unter anderem Gewebe aus dem Sehzentrum des Gehirns und aus den Kiemen. Mithilfe von Massenspektrometrie, computergestützter Auswertung und ergänzenden Laborversuchen ermittelten sie, welche veränderten Proteinvarianten tatsächlich entstehen und wie sie sich verhalten.
Das Team konnte 7.997 durch RNA-Bearbeitung veränderte Positionen direkt auf Proteinebene bestätigen. Sie verteilen sich auf 2.091 verschiedene Proteine und betreffen damit etwa ein Fünftel der in den untersuchten Proben identifizierten Eiweiße. Diese Zahl bezeichnet den nachgewiesenen Anteil im untersuchten Material und nicht sämtliche Proteine des Tieres.
Die Ergebnisse zeigen damit, dass die RNA-Änderungen nicht bloß theoretisch andere Bauanleitungen erzeugen. Die entsprechenden Proteinvarianten sind in den Zellen tatsächlich vorhanden. Zugleich konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass manche Varianten andere Eigenschaften besitzen als die jeweiligen unveränderten Proteinformen.
„Diese Ergebnisse zeigen, wie viel biologische Vielfalt aus derselben genetischen Ausgangsbasis entstehen kann“, erklärt Dr. Jack Moen von der UCSF.
Einige der umgeschriebenen Proteine waren beispielsweise weniger oder stärker hitzestabil, lösten sich anders oder wiesen eine veränderte Enzymaktivität auf. Andere befanden sich nach der RNA-Bearbeitung an einer anderen Stelle innerhalb der Zelle oder gingen andere Wechselwirkungen mit benachbarten Proteinen ein. Die Veränderungen betreffen somit nicht nur den Aufbau, sondern auch das Verhalten der Eiweiße.
Hinzu kommt ein weiterer Effekt. Durch die geänderten Aminosäuren können Andockstellen für chemische Markierungen entstehen oder verschwinden, mit denen Zellen die Aktivität von Proteinen steuern. Die Forscher fanden mehrere Hundert Stellen, an denen die RNA-Bearbeitung solche nachträglichen Veränderungen der Proteine ermöglicht oder verhindert. Damit greift dieser Mechanismus auch in die Regulation weiterer Zellprozesse ein.
Besonders deutlich wird dies am Protein MARCHF5, das andere Proteine mit dem Markierungsmolekül Ubiquitin versieht. Bei Versuchen mit einer durch RNA-Bearbeitung veränderten Form dieses Enzyms stellten die Forscher ein anderes Markierungsmuster seiner Zielproteine fest. Zugleich veränderten sich Vorgänge rund um die Mitochondrien, die unter anderem für die Energieversorgung der Zellen zuständig sind.