Ringförmige RNA ist für Gehirnfunktion wichtig

Im Gehirn von Säugetieren kommen ringförmige RNAs (circRNA) in Hunderten verschiedenen Varianten vor. Trotz dieser Fülle blieb eine Frage bislang unbeantwortet: Wofür sind sie dort eigentlich gut? Nun präsentieren Nikolaus Rajewsky und sein Team am Berlin Institute of Medical Systems Biology (BIMSB) am Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC) sowie seine Kolleginnen und Kollegen am MDC und der Charité erstmals Daten, die die seltsamen Ringe mit Hirnfunktionen verknüpfen. Die Ergebnisse erscheinen im Fachmagazin Science.

RNA ist mehr als ein gewöhnlicher Bote zwischen der DNA und den Proteinen, in das das Erbgut übersetzt wird. Vielmehr gibt es etliche Arten nicht-kodierender RNA. Das kann lange nicht-kodierende RNA (lncRNA) sein oder kurze regulatorische RNA (miR), die Moleküle können bei der Protein-Produktion stören (siRNA) oder sie mit ihrer Unterstützung ermöglichen (tRNA). In den vergangenen 20 Jahren haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler etwa zwei Dutzend RNA-Varianten entdeckt, die verschlungene Netzwerke im molekularen Mikrokosmos bilden. Die rätselhaftesten unter ihnen sind die circRNAs. Bei dieser ungewöhnlichen RNA-Klasse verbinden sich beide Enden kovalent zu einem geschlossenen Ring. Jahrzehntelang wurden diese Strukturen als eine seltene, geradezu exotische RNA-Art abgetan. Das Gegenteil ist der Fall. Mit den neuesten RNA-Sequenziermethoden konnte aufgedeckt werden, dass es sich um eine umfangreiche RNA-Klasse handelt, die vor allem im Gehirn vorkommt.

Es gibt Tausende Arten ringförmiger RNA bei Fadenwürmern, Mäusen und Menschen

Im Jahr 2013 erschienen zwei bahnbrechende Studien zur Charakterisierung der ringförmigen RNA im Fachblatt Nature, eine davon kam aus dem Labor von Nikolaus Rajewsky. Die meisten Ringe sind demnach erstaunlich beständig, sie schweben stunden-, mitunter tagelang im Zytoplasma. Die Systembiologen schlugen vor, dass circRNA zumindest manchmal der Genregulation dient. Cdr1as - ein einsträngiger RNA-Ring, der 1500 Nukleotide lang ist - könnte microRNA wie ein „Schwamm" aufsaugen. So bietet er zum Beispiel mehr als 70 Andockstellen für eine microRNA namens miR-7. MicroRNAs sind kurze RNA-Moleküle, die sich meist an eine komplementäre Sequenz der Boten-RNA anheften und so kontrollieren, in welcher Menge eine Zelle bestimmte Proteine produziert.

Außerdem haben Rajwesky und sein Team Datenbanken durchforstet und dabei Tausende unterschiedliche circRNAs in Fadenwürmern, Mäusen und Menschen entdeckt. Die meisten dieser Ringe hatten sich im Laufe der Evolution kaum verändert. „Wir sind auf ein paralleles Universum voller RNAs gestoßen, die noch niemand ergründet hatte", sagt Rajewsky. Die Publikation zog Hunderte weiterer Studien nach sich. „Das Feld ist geradezu explodiert."

Einen Ring verstehen, der vor allem in Neuronen vorkommt

Für die Studie, die nun in Science erscheint, taten sich die Systembiologen mit der Arbeitsgruppe von Carmen Birchmeier am MDC zusammen und schauten sich Cdr1as abermals an. „Dieser spezielle Ring ist vor allem in Neuronen zu finden, die Erregung weiterleiten. In Glia-Zellen kommt er dagegen nicht vor", sagt Monika Piwecka. Sie ist eine der Erstautorinnen und hat die meisten Experimente koordiniert. „Im Hirngewebe von Mäusen und Menschen heften sich daran zwei microRNAs an: miR-7 und miR-671."

Mithilfe der Gen-Schere CRISPR/Cas9 entfernte das Team anschließend die circRNA Cdr1as aus dem Erbgut von Mäusen. Die meisten microRNAs in den vier untersuchten Hirnregionen der Tiere beeinträchtigte das gar nicht. Allerdings war weniger miR-7 und mehr miR-671 vorhanden, und zwar nach der Transkription. Das ist im Einklang mit der Idee, dass Cdr1as im Zytoplasma mit microRNAs interagiert.

„Das weist darauf hin, dass Cdr1as normalerweise miR-7 nicht einfach nur wie ein Schwamm aufsaugt, sondern diese microRNA dabei stabilisiert und transportiert. Dagegen dient miR-167 anscheinend dazu, die Konzentration der Ringe zu regulieren", sagt Rajewsky. Wenn microRNA im Zytoplasma umher schwimmt, ohne sich irgendwo anzuheften, wird sie schnell als Müll entsorgt. Der Ring würde dieses Schicksal verhindern und die Moleküle gleichzeitig zu neuen Zielen wie den Synapsen transportieren. „Vielleicht sollten wir uns Cdr1as weniger als Schwamm vorstellen, sondern als Boot. Seine Passagiere ertrinken nicht und werden zu neuen Häfen gebracht."

Die veränderte Konzentration der microRNA hatte dramatische Effekte auf die Boten-RNA und die Proteine, die Nervenzellen herstellen. Besonders betroffen waren die Gene, die als erste auf die Stimulation eines Neurons reagieren (immediate early genes). Ähnlich erging es der Boten-RNA, die Erbgutabschriften für jene Proteine transportiert, die bei den Tieren den Schlaf-Wach-Rhythmus aufrechterhalten.

Cdr1as verändert das Geschehen in der Synapse

Mithilfe von Einzelzell-Elektrophysiologie beobachtete dann der Charité-Forscher Christian Rosenmund, dass die Synapsen doppelt so häufig spontan ihre kleinen Botenstoff-Bläschen entleeren. Außerdem hatte sich die Reaktion der Synapse auf zwei aufeinanderfolgende Reize gewandelt. Verhaltenstests, die am MDC durchgeführt wurden, spiegelten diese Ergebnisse wider. Obwohl die Mäuse in vielerlei Hinsicht normal erschienen, konnten sie ihre Reaktion auf externe Reize wie Lärm nicht mehr abschwächen. Ähnliche Störungen der Präpulsinhibition wurden auch bei Patienten beobachtet, die an Schizophrenie oder anderen psychiatrischen Krankheiten leiden.

Ein Beispiel aus dem Alltag zeigt, wie wichtig diese Filterfunktion ist: Wenn ein lauter Knall die ruhige Atmosphäre in einer Bibliothek stört, ist man unwillkürlich alarmiert. Das gleiche Geräusch wird dagegen neben einer Baustelle viel weniger bedrohlich wirken. Denn in diesem Fall hatte das Gehirn bereits mit dem Lärm zu tun und filtert unnötige Informationen heraus. Dadurch ist der Schreck nicht mehr so groß (Präpulsinhibition). Diese grundlegende Hirnfunktion, die es gesunden Tieren und Menschen erlaubt, sich zeitweise an einen starken Reiz zu gewöhnen und Informationsüberfluss zu vermeiden, haben die Forscherinnen und Forscher nun mit Cdr1as verknüpft.

„Unsere Daten legen nahe, dass Cdr1as und seine direkten Interaktionen mit microRNAs wichtig sind für die Verarbeitung von sensorischen und motorischen Reizen und für die Informationsübertragung an den Synapsen", sagt Nikolaus Rajewsky. „Allgemeiner ausgedrückt: Im Gehirn kommen ausgesprochen viele unterschiedliche ringförmige RNAs vor. Wir leiten aus unseren Daten ab, dass die Ringe dort eine Palette bislang unbekannter biologischer Funktionen übernehmen."

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Das Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC)

Das Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC) wurde 1992 in Berlin gegründet. Es ist nach dem deutsch-amerikanischen Physiker Max Delbrück benannt, dem 1969 der Nobelpreis für Physiologie und Medizin verliehen wurde. Aufgabe des MDC ist die Erforschung molekularer Mechanismen, um die Ursachen von Krankheiten zu verstehen und sie besser zu diagnostizieren, verhüten und wirksam bekämpfen zu können. Dabei kooperiert das MDC mit der Charité - Universitätsmedizin Berlin und dem Berlin Institute of Health (BIH) sowie mit nationalen Partnern, z.B. dem Deutschen Zentrum für Herz-Kreislauf-Forschung (DHZK), und zahlreichen internationalen Forschungseinrichtungen. Am MDC arbeiten mehr als 1.600 Beschäftigte und Gäste aus nahezu 60 Ländern; davon sind fast 1.300 in der Wissenschaft tätig. Es wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent vom Land Berlin finanziert und ist Mitglied in der Helmholtz-Gemeinschaft deutscher Forschungszentren.

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