piRNA

von Marc Schneider (Laborjournal-Ausgabe 10, 2007)

RNAi. Wem ist dieser Begriff in den letzten Jahren nicht aufgestoßen? Letztes Jahr wurden Andrew Fire und Craig Mello mit dem Nobelpreis für ihre Entdeckung der RNA-Interferenz durch doppelsträngige RNAs geehrt. Seitdem ist den meisten geläufig, dass kurze 21-22 Nukleotid lange, doppelsträngige RNAs (siRNA (short interfering) beziehungsweise miRNA (microRNA)) die mRNA-Aktivität regulieren.

Dabei interagiert einer der beiden kurzen RNA-Einzelstränge mit dem komplementären Teil eines mRNA-Stranges und bewirkt eine Degradation beziehungsweise verhindert die Translation der mRNA. Unklar ist, ob Degradation und Translationshemmung von der Komplementarität zwischen mRNA und siRNA abhängt und gleichzeitig in der Zelle ablaufen kann (Meister & Tuschl, 2004, Nature). Die Attraktivität der Methode liegt darin, dass kurze RNA-Moleküle sich synthetisch herstellen lassen. Mit der synthetischen siRNA können dann Gene gezielt ausgeschaltet werden. Die Pharmaindustrie hofft, in siRNAs neue Wirkstoffe gegen Krebs oder genetisch bedingte Krankheiten zu finden.


Kurze RNAs auch auf DNA-Ebene

Kurze RNAs können nicht nur auf mRNA, sondern auch auf DNA-Ebene aktiv sein – das wurde in Mäusen und Fliegen entdeckt. Auf DNA wirkende kurze RNAs werden piRNAs genannt (Hartig et al., Genes Dev 2007). Wie unterscheiden sich piRNAs von siRNAs? Wann und wo werden sie exprimiert? Was ist ihre Aufgabe? Wie konserviert ist ihre Funktion? Warum nennt man sie piRNAs?

Pi steht nicht für partially interfering, potentially interacting oder polycomb integration, sondern ist die Abkürzung für "Piwi", einer Domäne der Argonaute-Proteine, an welche die piRNAs binden. Diese basischen, etwa 100 kD großen Proteine besitzen zwei konservierte Domänen: Die PAZ-Domäne bindet an die RNA, die PIWI-Domäne ähnelt der RNAse H. Die Argonaute-Proteine werden in zwei Klassen eingeteilt: Die Ago1 Klasse (Sequenzähnlichkeit zum Arabi-dopsis-Protein AGO1), wird in vielen Zelltypen exprimiert und ist verantwortlich für die RNA-Interferenz. Die Piwi-Klasse (Sequenzähnlichkeit zu Drosophila-Piwi) findet sich in der Keimbahn, wo auch die piRNAs hauptsächlich transkribiert werden.


Das Besondere an piRNAs

Es stellte sich heraus, dass piRNAs häufig ein Uridin am 5'-Ende besitzen und mit 24-28 Nukleotiden länger sind als die siRNAs. Im Gegensatz zu siRNAs oder miRNAs haben piRNAs scheinbar keinen doppelsträngigen Vorgänger und werden von Hot Spots im Genom möglicherweise als langer Einzelstrang transkribiert und anschließend weiter prozessiert. Hairpin-Strukturen, wie sie für miRNAs üblich sind, konnten nicht entdeckt werden.

Analysiert man die Sequenzen der piRNAs, so zeigt sich zumindest in Fruchtfliegen eine Häufung von repetitiven und transponierbaren Sequenzen. Deshalb werden die Fruchtfliegen-piRNAs auch als rasiRNAs (repeat associated short interfering RNAs) bezeichnet.

Außerdem zeigten Knockout-Experimente, dass Piwi-Proteine wichtig für die Inaktivierung von Transposons in Mäusen und Fruchtfliegen sind (Brennecke et al., 2007, Cell). Knockout der Piwi-Proteine führte zu einer geringeren Methylierung der Transposons, und diese Elemente beginnen im Genom zu springen. Das kann Gene zerstören. piRNAs sind vermutlich an der Inaktivierung von Transposons während der Keimzellentwicklung beteiligt und stabilisieren daher das Genom während der Meiose.


Nicht in Pflanzen und Hefe

In der Hefe Schizosaccharomyces pombe (S. pombe) und Pflanzen gibt es keine Piwi-Homologe und somit auch keine piRNAs. Deren Aufgabe wird von der Gruppe der Ago1-Proteine übernommen. In beiden Systemen ist die Wirkung von RNA auf DNA schon länger bekannt und genauer erforscht (Zaratiegui et al., 2007, Cell). In S. pombe werden siRNAs benötigt, um die Heterochromatin-Regionen um das Zentromer, also die Stelle an der beide Schwesterchromatiden verbunden sind, richtig zu definieren und eine korrekte Zellteilung zu ermöglichen. Dabei scheinen siRNAs in einem RNA-Proteinkomplex an frisch transkribierte mRNAs zu binden und anschließend andere Heterochromatin-bildende, also inaktivierende, Faktoren zu rekutieren.

In Pflanzen sind siRNAs, die in die Methylierung und Heterochromatin-Bildung involviert sind, länger (> 24 nt) als normale siRNAs und auch verantwortlich für die Inaktivierung von repetitiven Sequenzen. Es bleibt abzuwarten, ob ein direkter Zusammenhang zwischen den Systemen in S.pombe und Pflanzen auf der einen und piRNAs in Fliegen und Mäusen auf der anderen Seite besteht.

Hier ist ein faszierendes Forschungsfeld entstanden mit vielen offenen Fragen beziehungsweise Fragen, die noch nicht einmal gestellt wurden. Wie werden piRNAs erzeugt? Wie schaffen es piRNAs die epigenetische Information zu verändern? Welche Rolle spielen piRNAs, die nicht mit repetetiven Sequenzen assoziiert sind? Sind piRNAs nur in der Keimbahn aktiv? ...?

Letzte Änderungen: 23.10.2007