(08.12.2019) Bei der Transkription von Genen können auch mal ungewöhnliche Verbindungen entstehen: Von Zeit zu Zeit kommt es vor, dass sich eine gerade entstehende RNA-Molekülkette zwischen die beiden DNA-Stränge drängt, sich mit seiner Muster-DNA verbindet und den gegenläufigen DNA-Strang ersetzt. Dieser Komplex allein heißt DNA-RNA-Hybrid – zählt man den verdrängten zweiten DNA-Strang dazu, spricht man von einem R-Loop.
Die dreisträngigen Strukturen erscheinen an vielen Stellen des Genoms; je nach Spezies liegt die Genomabdeckung bei fünf bis zehn Prozent. Dabei gilt: Je mehr Transkription, desto mehr R-Loops – sie entstehen also bevorzugt an häufig abgelesenen Genen und akkumulieren an Guanin- und Cytosin-reichen sowie CpG-Insel-haltigen Promotor- oder Terminator-Regionen.
Häufig scheint die Entstehung von R-Loops nicht geplant und vor allem auch nicht vorteilhaft: Dann etwa, wenn sie sich negativ auf Transkription, Replikation oder DNA-Reparatur auswirken und somit zur Gefahr für die Genomintegrität werden. Der entstandene DNA-Einzelstrangabschnitt beispielsweise ist ein leichtes Opfer für reaktive Sauerstoffspezies, Nukleasen oder Ähnliches. Außerdem kann die Verbindung von DNA- und RNA-Strang die Replikationsgabel behindern und dadurch zu Problemen bei der Erbgut-Vervielfältigung führen.
Daher gibt es verschiedene Strategien, die dreisträngige Gefahr vom Genom zu verbannen – durch Prävention, Beseitigung und DNA-Reparatur. Von vornherein verhindern kann die Zelle die Bildung der DNA-RNA-Hybride beispielsweise durch Proteine, die den RNA-Strang bedecken. Außerdem scheint die Topologie der doppelsträngigen DNA eine Rolle zu spielen. Die Topoisomerase I etwa entwirrt starke negative Verdrillungen der DNA (Supercoiling) hinter der RNA-Polymerase und schützt damit vor der Entstehung von R-Loops und verhindert die Chromatinbildung.
Konnten diese Maßnahmen die Entstehung unerwünschter R-Loops nicht unterbinden, können sie immer noch beseitigt werden. Ein wichtiger Helfer dabei ist die RNAse H, die RNA in RNA-DNA-Komplexen degradiert. Schonender gehen DNA-RNA-Helikasen vor: Sie entwinden den DNA-RNA-Hybrid, ohne die RNA dabei zu zerstören. Weitere Mitspieler scheinen zudem DNA-Reparaturmechanismen zu sein, wobei deren Rolle noch genauer auf den Grund gegangen werden muss.
Aber genug der negativen Dinge, denn R-Loops sind nicht nur schlecht und unerwünscht. Sie können auch unter physiologischen Umständen entstehen. Eine geplante und durchaus gewollte Beteiligung von R-Loops tritt auf beim Immunglobulin-Class-Switching (bei dem neue Antikörper-Isotope entstehen), der Replikation von mitochondrialer DNA, Plasmiden und Phagen sowie der CRISPR/Cas-9-Geneditierung. Zudem sind R-Loops involviert in die Transkriptionsinitiation und -terminierung sowie die Telomer-Homöostase. Gefördert wird die geplante Bildung von R-Loops durch verschiedene Proteine, welche die Bindung zwischen RNA und DNA unterstützen und deren Akkumulation begünstigen.
Eine neue Funktion in der Genregulation deckte vor Kurzem ein deutsches Forscherteam auf: Die Gruppe um Khelifa Arab vom Institut für Molekularbiologie in Mainz sowie dem Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg konnte zeigen, dass GADD45A (Growth Arrest and DNA Damage Protein 45A) R-Loops bindet und dadurch die DNA-Demethylierung und Expression des Tumorsuppressors TCF21 ermöglicht (Nat. Genet., doi: 10.1038/s41588-018-0306-6). Gebildet wird der R-Loop direkt am TCF21-Promotor mit der langen nicht-codierenden RNA TARID (TCF21 Antisense RNA Inducing Promoter Demethylation). TARID wird in Antisense-Richtung und abwechselnd mit dem Tumorsuppressor TCF21 abgelesen. Der entstehende R-Loop bindet das Protein GADD45A, welches einen weiteren Mitspieler namens TET1 (Ten-eleven Translocation 1) rekrutiert und die Demethylierung sowie Expression von TCF21 vermittelt. Mithilfe von Genomsequenzierungen an embryonischen Stammzellen entdeckte das Team tausende R-Loop-abhängige TET1-Bindestellen an CpG-Inseln. Arab et al. kommen deshalb zum Schluss, dass GADD45A als epigenetischer R-Loop-Reader die Demethylierungs-Maschinerie zu Promotor-CpG-Inseln rekrutiert.
Von einer weiteren physiologischen Rolle von R-Loops in der Genexpressionsregulation berichtete dieses Jahr eine britische Arbeitsgruppe um Konstantina Skourti-Stathaki von der University of Edinburgh (Mol. Cell 73: 930-45). Die Polycomb-Komplexe PRC1 und PRC2 sind epigenetische Regulatoren, die in embryonalen Mausstammzellen die Expression CpG-reicher Regulator-Gene für die Entwicklung unterdrücken. Polycombs spielen einen wichtigen Part dabei, Genexpressionsmuster während der Differenzierung von embryonalen Stammzellen in der Maus zu stabilisieren. Es stellte sich heraus, dass R-Loops die Bindung von Polycomb an deren Zielgene erleichtern und stabilisieren – zumindest bei einem Teil dieser Gene. Dabei wirken sie synergistisch mit der katalytischen Einheit von PRC1 zusammen und nehmen Einfluss auf die RNA-Polymerase-Aktivität. R-Loops tragen somit ihren Teil zur Genrepression von Entwicklungs-Regulator-Genen durch Polycombs bei.
Die Forschung an R-Loops hat noch einiges vor sich: Als mögliche Erzeuger von Genominstabilität und Replikationsstress werden sie sowohl mit verschiedenen Tumor-, genetischen als auch mit neurodegenerativen Erkrankungen in Verbindung gebracht. Ein kausaler Zusammenhang mit Krankheiten muss aber erst noch hergestellt werden.
