Grund zum Grummeln?

1998 beschrieben Andrew Fire und Craig Mello, wie doppelsträngige RNA über RNA-Interferenz die Expression von Genen stilllegt. Jetzt bekommen sie den Medizin-Nobelpreis.

(02.10.2006; ergänzt am 04.10.2006) Und wieder grummeln die Pflanzenforscher. Schon 1998 waren sie leicht verärgert. Nicht, weil sie damals den Medizin-Nobelpreis für die Entdeckung von Stickoxid als wichtiges Signalmolekül im Herz-Kreislaufsystem für unberechtigt hielten. Nein, der zweite Satz der offiziellen Begründung störte sie. Dieser lautete: "Signal transmission by a gas that is produced by one cell, penetrates through membranes and regulates the function of another cell represents an entirely new principle for signalling in biological systems." Völlig zurecht fragten viele daraufhin, ob denn das Nobelpreiskomitee noch nie etwas von Ethylen gehört hätte. Schließlich kannte man die Signalwirkung dieses Gases im "biologischen System Pflanze" damals schon seit knapp hundert Jahren.

Dieses Jahr geht der Medizin-Nobelpreis an die beiden US-Amerikaner Andrew Z. Fire und Craig C. Mello für ihre Entdeckung der "RNA-Interferenz -- Gene Silencing durch doppelsträngige RNA". 1998 veröffentlichten Fire als Erst- und Mello als Letztautor hierzu das vermeintlich entscheidende Paper in Nature (Bd. 391: 806-811). Der Titel: "Potent and specific genetic interference by double stranded RNA in Caenorhabditis elegans." Nach 2002 also wieder ein Nobelpreis für die "Wurmforschung". Doch das ist nicht der Grund, weswegen wieder einige Pflanzenforscher die Nase rümpfen.

Was hatten Fire und Mello Tolles gefunden? Kurz gesagt, einen in Pflanzen, Pilzen und Tieren allgegenwärtigen Mechanismus um gezielt die mRNA spezifischer Gene abzubauen und damit deren Expression zu blockieren. Diesen nennt man seitdem RNA-Interferenz (RNAi), und die geht nach heutigem Wissen etwa so: Startsignal ist ein Stück doppelsträngige RNA, wie sie etwa bei RNA-Viren oder auch beim Kopiervorgang von Retrotransposons vorkommt. Dieses Stück doppelsträngige RNA schnappt sich ein Proteinkomplex namens Dicer und schneidet es in kleine Stücke. Ein weiterer Proteinkomplex namens RISC bindet diese Fragmente und eliminiert einen der beiden Stränge. Der andere Strang verbleibt an RISC gebunden und fungiert jetzt als eine Art Sonde zum Aufspüren von mRNA-Molekülen. Wenn sich jetzt eine mRNA mit dem RISC-gebundenen RNA-Fragment komplementär verpaart, ist es um den "Boten" geschehen. Der RISC-Komplex bindet auch die mRNA und zerschneidet sie zu Schrott.

Von Natur aus dient der evolutionsgeschichtlich offenbar uralte Mechanismus der RNA-Interferenz wohl hauptsächlich dem Schutz des Genoms gegen Vireninsertion und wild springende Transposons. Jedoch fanden Forscher schnell heraus, dass sie durch Injektion entsprechend konstruierter doppelsträngiger RNA jede beliebige mRNA einer eukaryotischen Zelle gezielt still legen können. Ein ungeheuer wirkungsvolles und zudem noch sehr simples Werkzeug zum gezielten Blockieren von Genfunktionen in allen möglichen Organismen war geboren. Kein Wunder setzen Biologen und Biomediziner schon heute RNAi nahezu flächendeckend zum gezielten "Knockdown" von Genen in ihrer Forschung ein. Und fast genauso viele verfolgen die Vision, RNAi als Behandlungskonzept für eine Reihe von Krankheiten zu etablieren.

Zurück zu den frisch Geehrten, zu Fire und Mello. Beide haben in den letzten Jahren schon einige Preise für ihren Beitrag zur Entschlüsselung des RNAi-Mechanismus eingestrichen -- zuletzt etwa den Paul Ehrlich und Ludwig Darmstaedter-Preis. Und immer wieder meldeten sich Pflanzenforscher um anzumerken, dass Fire und Mello gar nicht diejenigen wären, die die RNA-Interferenz gefunden hätten. Dies seien vielmehr Pflanzenforscher gewesen, und zwar schon 1990. Das stimmt -- allerdings nur bedingt. Zwar beschrieben zwei Gruppen um Antonie Stuitje in Amsterdam und Richard Jorgensen in Kalifornien bereits im April 1990 das Phänomen des reversiblen "Posttranscriptional Gene Silencing" (PTGS) bei der Synthese von Blütenfarbstoffen. Und beide hatten auch die RNA als möglichen Protagonisten im Visier. Was den PTGS-Mechanismus anging, tappten sie dennoch arg im Dunkeln.

So ahnte etwa Stuitje 1990 lediglich folgendes: "The results indicate that the mechanism of antisense inhibition cannot solely operate via RNA duplex formation between sense and antisense RNA." Und Jorgensen spekulierte in seinem Paper gar: "The mechanism responsible for the reversible co-suppression of homologous genes in trans is unclear, but the erratic and reversible nature of this phenomenon suggests the possible involvement of methylation."

Den wahren Mechanismus für die bis dahin rätselhaften Phänomene lieferten vielmehr tatsächlich Fire und Mello -- Fire damals an der Carnegie Institution of Washington in Baltimore (heute Stanford University, Kalifornien), Mello damals wie heute an der University of Massachusetts Medical School in Worcester. In ihrem bereits erwähnten 1998er Nature-Paper schilderten sie erstmals, dass doppelsträngige RNA (dsRNA) das entsprechende Transkript deutlich effektiver und spezifischer blockiert als die einsträngigen Sense- oder Antisense-RNAs in früheren Studien. Die Injektion einiger weniger dsRNA-Moleküle reichte dabei aus, um den kompletten Abbau der komplementären mRNA-Spezies einzuleiten und das betreffende Gen damit stumm zu schalten. Die reine Interaktion einer einsträngigen RNA mit der mRNA, von den Kollegen bis dahin als Antisense-Paarungsmodell favorisiert, kam somit als Interferenz-Mechanismus nicht mehr in Frage. Fire und Mello folgerten vielmehr, dass die dsRNA die komplementäre mRNA über einen katalytischen statt einen stöchiometrischen Prozess aus dem Verkehr zieht.

Weiterhin beschrieben Mello und Fire im gleichen Paper, dass der dsRNA-Silencing-Effekt sich von Zelle zu Zelle über ganze Gewebe hinweg ausbreiten kann sowie sogar an die Nachkommen "vererbt" wird. Und einige Monate später zeigte Andrew Fire, dass RNA-Interferenz tatsächlich posttranskriptional funktioniert und die entsprechende mRNA vor der Translation degradiert wird (PNAS 95:15502-7). Der Rest, wie etwa die Identifizierung und Struktur der natürlich vorkommenden short interfering RNAs (siRNAs) sowie der beteiligten Enzymkomplexe Dicer und RISC, war Formsache.

Fazit: Das Phänomen des RNA-vermittelten, posttranskriptionalen Gene Silencing sahen und beschrieben Pflanzenforscher zuerst, verstanden es aber nicht -- den zugrunde liegenden Mechanismus der RNA-Interferenz entschlüsselten erst die "Wurmforscher" Mello und Fire. Zugleich öffneten sie damit erst richtig das völlig neue Feld der Genregulation durch "kleine RNAs" -- eine fundamentale Erkenntnis, die umgehend allen möglichen Tummelplätzen biologischer Forschung neue Schübe versetzte. Über 15.000 Artikel sind seit 1998 zu "kleinen RNAs" erschienen, von denen man inzwischen neben den siRNAs etwa noch miRNAs, rasiRNAs und piRNA kennt. Inzwischen sieht es also fast nach einem ganzen Zoo verschiedener RNA-Spezies mit regulativen Funktionen aus -- und RNAi war die Entrittskarte. (Siehe hierzu etwa hier)

Apropos miRNAs, oder microRNAs: Auch wegen diesen grummeln einige wenige. Sie meinen Victor Ambros oder Gary Ruvkun hätten den Preis genauso verdient, da beide bereits 1993 unabhängig voneinander die Hemmung eines Caenorhabditis-Gens durch eine vom Wurm selbst kodierte microRNA beschrieben. Allerdings wussten auch diese beiden damals nicht, wie die kleine RNA das macht - und favorisierten ebenfalls fälschlicherweise irgendeinen Antisense-Paarungsmechanismus. Erst die RNA-Interferenz brachte die microRNA-Leute auf die richtige Spur. Zwar entstehen microRNAs -- im Gegensatz zu siRNAs -- aus im Genom kodierten small hairpin RNAs (shRNAs), bilden daraufhin aber ebenso einen Komplex mit RISC um nachfolgend komplementäre mRNAs in den sogenannten P-Bodies abzubauen oder wegzusperren.

Noch jemand Grund zum Grummeln? Vielleicht noch einige Mausforscher, wobei man diese sogar glatt verstehen könnte. Jahr für Jahr waren die Erfinder des Gene Targeting durch homologe Rekombination und geistigen Väter unzähliger Knock out-Mäuse -- Leute also wie Mario Capecchi oder Oliver Smithies -- heiße Kandidaten für einen Stockholmer Abend im Frack. Die Entscheidung für Gene Knockdown durch RNAi ist für sie jedoch der klare Nobelpreis-Knock out.

Ralf Neumann





Letzte Änderungen: 06.10.2006