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Medizin

08.12.2003
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RNA-Interferenz

Gene zum Schweigen bringen

von Hannelore Gießen, München

Die Buchstabenfolge des menschlichen Genoms ist bekannt. Jetzt geht es darum, die Bedeutung der Nukleotidsequenzen zu verstehen. Am meisten erfahren Wissenschaftler über die Funktion eines Gens, wenn sie es gezielt ausschalten. Auftretende Ausfallserscheinungen zeigen dann, welche Rolle das Gen normalerweise spielt. Mit RNA-Interferenz steht hierfür seit einiger Zeit ein neuer Ansatz zur Verfügung.

In den vergangenen Monaten hat ein Verfahren von sich Reden gemacht, mit dem Gene gezielt abgeschaltet werden können, die so genannte Ribonukleinsäure-Interferenz (RNA-Interferenz). Das Prinzip dieses Verfahrens ist ein uralter Mechanismus, der im Leben vieler einfacher Organismen eine wichtige Rolle spielt. Durch ihn schützen sich zum Beispiel manche Pflanzen vor RNA-Viren. Der Mechanismus basiert darauf, dass doppelsträngige RNA als Signal wirkt und die homologe, also in der Sequenz gleiche Boten-RNA (mRNA) der Vernichtung preisgibt. Kurze doppelsträngige RNA-Fragmente (dsRNA) in der Zelle bilden mit Nucleasen einen so genannten Silencing-Komplex. Durch Basenpaarung erkennt die dsRNA des Komplex die homologe mRNA und lagert sich an diese an. Die Nucleasen bauen dann die gebundene mRNA ab, weshalb sie nicht mehr in Proteine umgesetzt werden kann. Diese selektive Interferenz kann die Zelle nicht nur nutzen, um sich vor Viren zu schützen, sondern auch, um die Aktivität einzelner Gene gezielt zu steuern.

Indirekter Knock-out

Als das Prinzip der RNA-Interferenz entdeckt wurde, lag es nahe, dieses für die Erforschung der Bedeutung einzelner Gene zu nutzen. Bisher wandten Forscher hierfür meist den gezielten Knock-out an: Sie züchteten Tiere, in deren Genom ein Gen mit bekannter Sequenz ausgeschaltet wurde, und konnten aus dem im Phänotyp sichtbaren Funktionsausfall auf die Aufgabe des Gens schließen. Ein solcher Gen-knock-out dauert allerdings lange Zeit – wenn er überhaupt gelingt. Die RNA-Interferenz ist hier ein viel versprechendes neues Konzept, die Funktion von Genen zu untersuchen.

Grundlegende Arbeiten dazu hatten vor allem Göttinger Wissenschaftler bei der Taufliege Drosophila melanogaster gemacht. Sie synthetisierten kurze, zum Zielgen homologe RNA-Doppelstränge und injizierten diese in verschiedene Säugerzellen. Mit Erfolg: Die kurzen Doppelstränge führten zum Abbau der entsprechenden zelleigenen mRNA, wodurch das Zielgen indirekt stillgelegt wurde. Die Forscher entdeckten, dass die synthetischen RNA-Fragmente genau 21 bis 23 Nukleotide lang sein müssen. Nur Sequenzen von dieser Länge können sich mit den Nucleasen zum Silencing-Komplex zusammenlagern.

Zunächst hatten die Forscher sehr langkettige RNA-Moleküle verwendet, womit sie bei Säugetierzellen auf Schwierigkeiten gestoßen waren. Entweder war die Antwort völlig unspezifisch ausgefallen, oder die Zellen hatten das intrazelluläre Immunsystem aktiviert, über das nur höher entwickelte Zellen verfügen und das der Abwehr von Viren dient. Die Zellen hatten die Notbremse gezogen und das Selbstmordprogramm, die so genannte Apoptose, eingeleitet, das die betreffenden Zellen innerhalb weniger Stunden vollständig eliminiert. Lediglich kurze Doppelstrang-RNA-Stücke von der richtigen Länge entkommen anscheinend dem Detektionsmechanismus.

Erste Anwendungsmöglichkeiten

Die RNA-Interferenz revolutionierte nicht nur die Grundlagenforschung, sie wird bereits therapeutisch erprobt und zeigt erstaunliche Erfolge. So ist es Wissenschaftlern von der Harvard Medical School in Boston gelungen, bei Mäusen ein zu Leberschäden führendes Gen abzuschalten. Dieses Fas-Gen codiert für einen Rezeptor, der Leberzellen auf Kommando in den programmierten Zelltod treibt. Fehlt das Fas-Protein auf der Oberfläche der Zellen, haben leberzersetzende Signale keine Wirkung. Bemerkenswert an der Untersuchung war, dass die durch das Fas-Protein in Gang gesetzte Zerstörung der Leber auch dann noch durch RNA-Interferenz gestoppt werden konnte, wenn der Angriff auf die Leberzellen bereits in vollem Gang war.

Auch die Ausbreitung des HI-Virus in Zellkulturen konnte durch Interferenz aufgehalten werden. Dazu wurde doppelsträngige RNA hergestellt, die dem Gen für den CD4-Oberflächenmarker bestimmter Immunzellen entspricht. Wird diese Interferenz-RNA in CD4-Zellen injiziert, wird die entsprechende Boten-RNA abgebaut. Es entstehen keine CD4-Moleküle, die das Virus benötigt, um in Immunzellen zu gelangen.

In einer kürzlich veröffentlichten Studie wurde untersucht, ob RNA-Interferenz auch als Therapieansatz gegen neurodegenerative Erkrankungen wie Chorea Huntington infrage kommt: Die Zellen von Patienten mit dieser Erbkrankheit stellen auf Grund einer Mutation ein fehlerhaftes Protein her, das verklumpt und dadurch die Nervenzellen im Gehirn zerstört. Forschern gelang es nun, Zellen mit dieser defekten Genvariante in Zellkultur mit doppelsträngigen RNA-Molekülen zu behandeln und die Produktion defekter Proteine über RNA-Interferenz zu stoppen, ohne die Produktion der gesunden Genvariante zu hemmen. Bemerkenswert war dabei, dass Moleküle, die mit der defekten Boten-RNA identisch waren, beide Varianten inhibierten. Selektiv auf die defekte Genvariante wirkte dagegen eine Interferenz-RNA, die sich in einem Baustein von der unerwünschten mRNA, jedoch in zwei Nukleotiden von der gesunden unterschied.

So hoffnungsvoll die Ansätze sind, bis zur klinischen Anwendung müssen noch einige Probleme gelöst werden: Noch ist unklar, wie die doppelsträngigen RNA-Moleküle in die Zielzellen eines lebenden Organismus transportiert werden können. Bisher sind die RNA-Fragmente sehr kurzlebig und müssten immer wieder neu appliziert werden. Außerdem muss eine Therapie unter Umständen auf Dauer durchgeführt werden – mit noch unbekannten Auswirkungen. Top

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