Messenger RNA-moleculen bevatten genetische informatie en regelen zo de synthese van eiwitten in levende cellen. Biochemici van de Universiteit van Bayreuth en de Universiteit van Bonn hebben nu een manier ontdekt om dit proces te reguleren dat centraal staat in genexpressie:bepaalde actinobacteriën bevatten een eiwit dat RNA-moleculen bindt onder blauw licht en ze daardoor kan deactiveren. In principe, zo is het mogelijk om de RNA-gecontroleerde eiwitsynthese via licht in en uit te schakelen, niet alleen in bacteriën, maar ook in zoogdier- en zelfs menselijke cellen. De bevindingen gepubliceerd in Natuur Chemische Biologie vormen de basis voor een nieuw onderzoeksgebied:optoribogenetica.

Sinds enige tijd, lichtsignalen zijn gebruikt om de transcriptie van genetische informatie - en bijgevolg de eiwitsynthese die wordt aangestuurd door RNA- (ribonucleïnezuur) -moleculen - op DNA-niveau te veranderen. Deze benadering maakt deel uit van de optogenetica en is nu een gevestigde methode van moleculaire en celbiologie. Echter, de nieuwe studie laat nu voor het eerst een mechanisme zien waarmee de interactie tussen RNA en specifieke eiwitten door licht kan worden beïnvloed. Genexpressie in bacteriën kan dus direct worden gecontroleerd op het niveau van RNA-moleculen.

De onderzoekers onder leiding van prof. dr. Andreas Möglich in Bayreuth en prof. dr. Günter Mayer in Bonn hebben aangetoond dat dit mechanisme kan worden overgedragen op zoogdiercellen. "In de komende jaren, we zullen de lichtgestuurde regulatie uitbreiden naar verschillende cellulaire processen waarbij RNA betrokken is. De resulterende instrumenten, die tot op heden niet beschikbaar waren, zal het onderzoek van centrale cellulaire processen aanzienlijk bevorderen. De basis voor optoribogenetica, een nieuwe aanvulling op optogenetica, is nu gelegd, " zegt prof. dr. Andreas Möglich.

Zoeken naar een kandidaat-eiwit dat reageert op licht

Het startpunt van het onderzoekswerk was de jacht op een bacterieel fotoreceptoreiwit dat onder invloed van licht zijn eigen bindingsgedrag ten opzichte van RNA kan veranderen. De wetenschappers doorzochten de bestaande sequentiedatabases en vonden wat ze zochten. Bacteriën van de soort Nakamurella multipartita bevatten een eiwit met een opvallende tripartiete architectuur:drie verschillende secties of "domeinen" genaamd "PAS, " "ANTAR" en "LOV, " zijn in een ongebruikelijke volgorde achter elkaar gerangschikt.

Zoals kon worden aangetoond in samenwerking met de onderzoeksgroep van Prof. Dr. Robert Bittl aan de Freie Universität Berlin, het LOV-fotosensordomein reageert op blauw licht en verzendt de signalen naar het ANTAR-domein. Het ANTAR-domein verandert dan zijn structuur, zodat RNA-moleculen worden gebonden en dus ontoegankelijk worden gemaakt:ze zijn niet langer beschikbaar voor genexpressie en de genetische informatie die erin zit, wordt niet langer gebruikt voor de synthese van eiwitten.

Pas als de bestraling van blauw licht stopt, en het ANTAR-domein keert terug naar zijn normale structuur, komt de interactie met het RNA tot stilstand. Nu wordt het RNA weer actief. De onderzoekers hebben dit proces voor het eerst vastgesteld en gedemonstreerd met behulp van RNA-aptameren. Dit zijn kleine RNA-moleculen met een haarspeldachtige structuur die de structuur van het ANTAR-domein kunnen binnendringen, die wordt geopend onder blauw licht, en zijn daar gebonden. Mayer:"Aptamers werken modulair:ze kunnen als een bouwsteensysteem aan andere units worden gekoppeld."

De wetenschappers testten hun nieuwe onderzoeksaanpak ook op eukaryote cellen waarin ze eerder het bacteriële eiwit en de RNA-aptameren hadden geïntroduceerd. In deze cellen is te, de structurele veranderingen veroorzaakt door blauw licht leiden tot boodschapper-RNA-moleculen die aan het eiwit binden en, in deze staat, genexpressie opschorten. "We hebben nu een lichtschakelaar waarmee de cellulaire activiteit van verschillende RNA-moleculen gericht kan worden aan- en uitgeschakeld, " legt prof. dr. Günter Mayer van het LIMES-instituut van de universiteit van Bonn uit.

Zijn collega uit Bayreuth, Prof. Dr. Andreas Möglich, voegt toe:"De benadering van lichtgereguleerde controle kan in principe worden overgedragen naar tal van andere op RNA gebaseerde processen, zoals de verwerking van micro-RNA's en het bijbehorende fenomeen van gene silencing." de twee wetenschappers en hun onderzoeksgroepen hopen te onderzoeken in hoeverre het nieuw ontdekte mechanisme kan worden gebruikt in modelorganismen om genexpressie en andere processen te beheersen.