Messenger -RNA -molekyler innehåller genetisk information och styr därmed syntesen av proteiner i levande celler. Biokemister vid University of Bayreuth och University of Bonn har nu upptäckt ett sätt att reglera denna process som är central för genuttryck:Vissa aktinobakterier innehåller ett protein som binder RNA -molekyler under blått ljus och kan därigenom inaktivera dem. I princip, det är således möjligt att slå på och av RNA-kontrollerad proteinsyntes via ljus, inte bara i bakterier utan även i däggdjursceller och till och med mänskliga celler. Resultaten publicerade i Natur kemisk biologi är grunden för ett nytt forskningsområde:optoribogenetik.

Sedan en tid tillbaka, ljussignaler har använts för att ändra transkriptionen av genetisk information - och följaktligen proteinsyntes som styrs av RNA (ribonukleinsyra) molekyler - på DNA -nivå. Detta tillvägagångssätt är en del av optogenetik och är nu en väletablerad metod för molekylär och cellbiologi. Dock, den nya studien visar nu för första gången en mekanism genom vilken interaktionen mellan RNA och specifika proteiner kan påverkas av ljus. Genuttryck i bakterier kan därför kontrolleras direkt på nivån av RNA -molekyler.

Forskarna under ledning av prof. Dr. Andreas Möglich i Bayreuth och prof. Dr. Günter Mayer i Bonn har visat att denna mekanism kan överföras till däggdjursceller. "Under de närmaste åren, vi kommer att utvidga den ljusstyrda regleringen till olika cellulära processer som involverar RNA. De resulterande verktygen, som hittills inte varit tillgängliga, kommer att främja utredningen av centrala cellulära processer. Grundstenen för optoribogenetik, ett nytt komplement till optogenetik, har nu lagts, "säger prof. dr. Andreas Möglich.

Sök efter ett kandidatprotein som reagerar på ljus

Utgångspunkten för forskningsarbetet var jakten på ett bakteriellt fotoreceptorprotein som kan förändra sitt eget bindningsbeteende i förhållande till RNA under påverkan av ljus. Forskarna sökte i de befintliga sekvensdatabaserna och hittade vad de letade efter. Bakterier av arten Nakamurella multipartita innehåller ett protein med en iögonfallande trepartsarkitektur:tre olika sektioner eller "domäner" som kallas "PAS, "" ANTAR "och" LOV, "ordnas efter varandra i en ovanlig sekvens.

Som kunde visas i samarbete med forskargruppen för professor Dr. Robert Bittl vid Freie Universität Berlin, LOV -fotosensorsdomänen reagerar på blått ljus och överför signalerna till ANTAR -domänen. ANTAR -domänen ändrar sedan sin struktur så att RNA -molekyler binds och därmed görs otillgängliga:De är inte längre tillgängliga för genuttryck och den genetiska informationen i dem används inte längre för syntes av proteiner.

Först när strålningen med blått ljus upphör, och ANTAR -domänen återgår till sin normala struktur, avbryts interaktionen med RNA. Nu blir RNA aktivt igen. Forskarna etablerade och demonstrerade först denna process med RNA -aptamer. Dessa är små RNA-molekyler med en hårnålsliknande struktur som kan komma in i strukturen för ANTAR-domänen, som öppnas under blått ljus, och är bundna där. Mayer:"Aptamer fungerar på modulärt sätt:De kan kopplas till andra enheter som ett byggstenssystem."

Forskarna testade också sin nya forskningsmetod om eukaryota celler som de tidigare hade introducerat bakterieproteinet och RNA -aptamererna i. I dessa celler, för, de strukturella förändringar som utlöses av blått ljus leder till att messenger -RNA -molekyler binder till proteinet och, i detta tillstånd, avbryta genuttryck. "Vi har nu en ljusomkopplare med vilken cellaktiviteten hos olika RNA -molekyler specifikt kan slås på och av, "förklarar professor Dr. Günter Mayer från LIMES -institutet vid universitetet i Bonn.

Hans kollega från Bayreuth, Prof. Dr. Andreas Möglich, tillägger:"Tillvägagångssättet för ljusreglerad kontroll kan i princip överföras till många andra RNA-baserade processer, såsom bearbetning av mikro-RNA och det associerade fenomenet genavstängning. "I efterföljande studier, de två forskarna och deras forskargrupper hoppas kunna undersöka i vilken utsträckning den nyupptäckta mekanismen kan användas i modellorganismer för att kontrollera genuttryck och andra processer.