Zwei-Faktor-Authentifizierung steuert den Abbau von Protein und Mikro-RNA

Forschende haben aufgedeckt, wie Zellen bestimmte Mikro-RNAs durch Proteindegradation selektiv abbauen

Auf den Punkt gebracht

• Regulation durch miRNA: Mikro-RNAs (miRNA) helfen Zellen dabei zu steuern, welche Gene aktiv sind. Sie selbst müssen ebenfalls reguliert werden – und zwar durch ihren Abbau.
• Zusammenwirken zweier Signale: Zellen bauen bestimmte miRNAs durch Protein Degradation selektiv ab. Der Abbau von miRNA wird nur dann ausgelöst, wenn Argonaut-miRNA-Komplex und Trigger-RNA, vorhanden sind
• Komplexe molekulare Interaktionen: Die ZSWIM8-E3 Ligase erkennt mehrere strukturelle Veränderungen, die auftreten, wenn die beiden RNAs, miRNA zusammen mit der Trigger-RNA innerhalb des Argonaut-Proteins aneinander binden.

Zellen sind auf kleine Moleküle, sogenannte miRNAs, angewiesen, um zu steuern, wann welche Gene aktiv sind. Um weitreichende Störungen der Genregulation zu verhindern, müssen Zellen die Lebensdauer von miRNAs sorgfältig regulieren.

Eine neue Studie unter der Leitung von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Biochemie in Martinsried und des amerikanischen Whitehead Institute zeigt, wie Zellen mithilfe eines unerwartet komplexen molekularen Erkennungssystems bestimmte miRNAs durch gezielt abbauen. Diese Studie zeigt, dass dieser Prozess erfordert zwei separate RNA-Signale, ähnlich wie bei vielen digitalen Systemen, die zwei Faktoren zur Identitätsprüfung verlangen, bevor sie Zugang gewähren. Die Ergebnisse erklären, wie Zellen dieses System der „Zwei-Faktor-Authentifizierung“ nutzen, um sicherzustellen, dass nur die vorgesehenen miRNAs zerstört werden, während der Rest des Genregulationsapparats weiter funktioniert.

miRNAs baut mRNA ab

Proteine sind die molekularen Maschinen einer Zelle. Um Proteine herzustellen, wird die genetische Information in der DNA in Boten-RNA, kurz mRNA, kopiert. Dann lesen die Ribosomen - die Proteinfabriken - die mRNA und produzieren Proteine. Die Kontrolle dieses Prozesses kann durch miRNA erfolgen. MiRNAs sind kurze RNA-Stränge, die bei der Steuerung der Genregulation helfen. In Zusammenarbeit mit einem sogenannten Argonautenprotein binden miRNAs an bestimmte mRNAs und lösen ihren Abbau aus. Auf diese Weise können miRNAs die Menge der mRNAs und somit die Produktion bestimmter Proteine verringern.

Zwar war Wissenschaftlern bekannt, dass miRNAs über einen zielgerichteten Abbau von miRNA, kurz, TDMD-Prozess (engl. Target-directed microRNA degradation), abgebaut werden können, doch blieb unklar, wie genau die Zellen erkennen, welche miRNAs abgebaut werden müssen. „Wir wussten, dass es einen Signalweg gibt, der miRNAs zum Abbau markieren kann, aber der dahinterstehende biochemische Mechanismus war noch nicht geklärt“, sagt David Bartel, Mitglied des Whitehead Institute und leitender Autor der Studie.

Frühere Arbeiten aus seinem Labor und anderen Forschungsgruppen hatten einen Schlüsselakteur in diesem Signalweg identifiziert: die E3-Ubiquitin-Ligase ZSWIM8. E3-Ubiquitin-Ligasen sind am zellulären Recycling-System beteiligt und fügen anderen Proteinen eine kleine molekulare Markierung namens Ubiquitin hinzu, wodurch diese für den Abbau gekennzeichnet werden.

Die Forscher wiesen zunächst nach, dass die ZSWIM8-E3-Ligase spezifisch an Argonaut bindet und dieses markiert – ein Protein, das miRNAs bindet und bei der Genregulation mitwirkt. Die nächste Herausforderung für die Forschenden bestand darin, zu verstehen, wie dieser Mechanismus ausschließlich Argonaut-Komplexe erkennt, die bestimmte miRNAs enthalten, die abgebaut werden sollen.

Doppelter RNA-Erkennungsprozess

Die Antwort erwies sich als überraschend vielschichtig. Mithilfe einer Kombination aus Biochemie und Kryo-Elektronenmikroskopie, einer bildgebenden Technik, die molekulare Strukturen mit nahezu atomarer Auflösung sichtbar macht, fanden die Forschenden heraus, dass der Abbauprozess auf einem doppelten RNA-Erkennungsprozess beruht. Erstens muss Argonaute eine spezifische miRNA binden. Zweitens muss ein anderes RNA-Molekül, das als „Trigger-RNA“ bezeichnet wird, auf eine bestimmte Weise an diese miRNA binden.

Der Abbauvorgang wird nur dann ausgelöst, wenn beide Signale, Argonauten-miRNA-Komplex und Trigger-RNA, vorhanden sind. Diese beiden Faktoren gewährleisten eine hohe Spezifität. Jede Zelle kann über hunderttausend Argonaute-miRNA-Komplexe enthalten, die zahlreiche Gene regulieren. Würden diese wahllos zerstört, würde dies wichtige biologische Prozesse stören.

Die Struktur zeigten komplexe molekulare Wechselwirkungen. Die ZSWIM8-Ligase erkennt mehrere strukturelle Veränderungen, die auftreten, wenn die beiden RNAs innerhalb des Argonaute-Proteins aneinander binden. „Als wir die Struktur sahen, fügte sich alles zusammen“, sagt Elena Slobodyanyuk, Doktorandin in Bartels Labor und eine der Erstautorinnen der Studie. „Man konnte erkennen, wie die Paarung der Trigger-RNA mit der miRNA den Argonaute-Komplex so umformt, dass die Ligase ihn erkennen kann.“

Regulation von RNA-Molekülen

Über die Erklärung der Funktionsweise des Zielgerichteten Abbauprozesses von miRNA hinaus, könnten die Ergebnisse Einfluss darauf haben, wie Forschende die Regulation von RNA-Molekülen im weiteren Sinne betrachten. „Es war, als würde man eine Schatzkiste öffnen, in der jedes Detail etwas Neues und Faszinierendes enthüllte.“, sagt Jakob Farnung, Co-Erstautor und Forscher in der Abteilung für Molekulare Maschinen und Signalübertragung am Max-Planck-Institut für Biochemie. „ZSWIM8 erkennt nicht nur das Protein, unde das RNA Paar sondern auch die Protein-RNA Interaktionsfläche.“

„Dies eröffnet eine völlig neue Sichtweise darauf, wie RNA-Moleküle den Proteinabbau steuern können“, sagt Brenda Schulman, Co-Seniorautorin der Studie und Direktorin der Abteilung für Molekulare Maschinen und Signalübertragung am Max-Planck-Institut für Biochemie. „Hier war die Erkennung weitaus raffinierter. Es gibt wahrscheinlich noch viel mehr zu entdecken.“

Um die Details dieses komplexen Regulationssystems aufzudecken, war eine interdisziplinäre Zusammenarbeit erforderlich, bei der Fachwissen aus den Bereichen RNA-Biochemie, Strukturbiologie und Ubiquitin-Enzymologie kombiniert wurde, um dieses seit langem bestehende molekulare Rätsel zu lösen.

Glossar:
Argonautenprotein: kurz AGO, ist ein Protein in der Zelle, das zusammen mit miRNA arbeitet. Es hilft dabei, bestimmte mRNA zu erkennen, die Informationen für Proteine enthalten. Sobald das Argonaut-miRNA Komplex die passende mRNA findet, blockiert es deren Funktion – entweder, indem es sie abbaut oder verhindert, dass sie zu einem Protein umgewandelt wird. Der Name „Argonaut“ stammt von der griechischen Sage – wie die Argonauten auf der Suche nach dem Goldenen Vlies waren, so „sucht“ das Argonautenprotein nach seiner Ziel-RNA.

mRNA: Abkürzung für Boten-Ribonukleinsäure enthält die genetische Information über den Aufbau eines Proteins. mRNA besteht aus vier Grundbausteinen, den verschiedenen Ribonukleotiden Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil. Die Abfolge der Ribonukleotide legt die Reihenfolge der Aminosäuren fest, den Grundbausteinen der Proteine.

Mikro-RNA: kurz miRNA; ist eine kurze, nicht-kodierende RNA, die in der Zelle als molekularer Regulator fungiert, um Gene stillzulegen, indem sie Boten-RNA abbaut oder ihre Übersetzung in Proteine blockiert.

TDMD: Abkürzung für Target-directed microRNA degradation; ist ein Prozess, bei dem eine Ziel-RNA (z. B. eine mRNA oder eine nicht-kodierende RNA) an die miRNA bindet. Dies führt zum Abbau der miRNA. So wird die Funktion der miRNA, die Proteinherstellung zu verhindern, unterdrückt.

Trigger-RNA: ist eine RNA, die durch Bindung an miRNA-AGO-Komplexe die miRNA destabilisiert und zerstört – ein fein abgestimmter Mechanismus zur Umkehr der Gen-Unterdrückung.

ZSWIM8-Ligase: Abkürzung für „Zinc finger SWIM-type containing 8“. Zusammen mit seinem Proteinpartner Cullin 3 und weiteren Ubiquitinierungsenzymen, markiert ZSWIM8 Proteine – insbesondere Argonautenproteine - mit Ubiquitin und führt zu AGO und im folgenden miRNAs Abbau.