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RNA – zentrales Molekül des Lebens

Während die meisten Leute den Begriff «DNA» kennen, ist der Begriff «RNA» viel weniger geläufig. Was ist also RNA und wieso widmen wir diesem Molekül eine ganze Website? Hier geben wir dir einen Überblick über die vielfältigen Funktionen des RNA-Moleküls und deren Bedeutung für die Spitzenforschung und Medikamentenentwicklung.

RNA spielt eine zentrale Rolle beim Übertragen der genetischen Information zur Herstellung der Eiweissmoleküle. Zudem trägt sie die genetische Information vieler Viren, und sie könnte sogar dafür verantwortlich gewesen sein, dass das erste Leben überhaupt auf der Erde entstehen konnte. Angesichts dieser wichtigen Aufgaben ist es nicht verwunderlich, dass Fehler in der Herstellung oder beim Abbau von RNA Molekülen schwerwiegende Konsequenzen für eine Zelle haben und so Krankheiten entstehen können.

Zentrales Dogma der Molekularbiologie

RNA steht für das englische Wort «ribonucleic acid», auf Deutsch «Ribonukleinsäure». Wie der Name schon sagt, ist die RNA (wie auch die DNA) eine «Nukleinsäure» und somit eines der Makromoleküle, die als essentiell für das Leben gelten. DNA ist der Speicher der genetischen Information in der Zelle: Sie liegt als langes Molekül in (fast) jeder Zelle jedes Lebewesens vor. Soll ein gewisses Gen, also ein spezifischer Abschnitt der DNA, abgelesen werden, wird es zunächst in RNA umgeschrieben. Die RNA überträgt dann die genetische Information zur zellulären Maschinerie, welche die entsprechenden Eiweissmoleküle herstellt. Dieser Informationsfluss von der originalen genetischen Information (DNA) über das Botenmolekül RNA, bis hin zur Eiweissherstellung (also zum Protein) ist so wichtig für das Leben, dass Biologen ihn als «das zentrale Dogma der Molekularbiologie» bezeichnen. Mehr... 

Während in (fast) jeder Körperzelle die gleiche DNA in Form unserer Chromosomen vorliegt, ist die Zusammensetzung der RNAs sehr unterschiedlich und hängt davon ab, von welchem Genabschnitt wie viele RNA Kopien hergestellt werden. Dies ist wichtig für die «Identität» der Zellen, denn letztendlich bestimmt die Zusammensetzung der RNAs, welche Eiweisse die Zelle herstellt und somit auch, welche Funktionen sie ausüben kann, sei es zum Beispiel als Muskel-, Nerven- oder Immunzelle.

Aufbau der RNA

Auf chemischer Ebene sind sich DNA und RNA sehr ähnlich. Die Fähigkeit von DNA und RNA, genetische Information zu speichern und weiterzugeben, hängt von den Nukleotid-Einheiten dieser Moleküle ab. Diese Nukleotid-Einheiten sind in bestimmten Reihenfolgen zusammengesetzt, die sich wie Wörter in einem Satz lesen lassen. Obwohl DNA und RNA im Grundaufbau sehr ähnlich sind, weisen beide Nukleinsäurearten charakteristische chemische Eigenheiten auf. Diese sind für ihre unterschiedlichen Funktionen bedeutsam.

Mehr als nur eine Kopie der DNA

Obwohl der chemische Aufbau der RNA dem Aufbau der DNA sehr gleicht, hat die RNA weit vielfältiger Möglichkeiten, in der Zelle verschiedenartige Funktionen auszuüben. Abhängig von Funktion, Struktur oder Länge unterscheidet man verschiedene Klassen an RNAs, so zum Beispiel:

  • mRNA, die Botenmoleküle: Sie übertragen die genetische Information von der DNA zum Protein (mRNA = «Messenger RNA»).
  • tRNAs, die Dolmetschermoleküle: Sie erkennen die Sequenz der RNA und übersetzen sie in die Abfolge der Eiweissbausteine (Aminosäuren) (tRNA = «Transfer RNA»).
  • Ribozyme, die Biokatalysatoren: Sie können chemische Reaktionen katalysieren. (Übrigens erhielten 1989 Sidney Altman und Thomas Cech für die Entdeckung, dass RNA auch katalytische Eigenschaften hat, den Nobelpreis in Chemie.)
  • miRNAs oder lncRNAs, die Steuerungselemente: Sie können verschiedene zelluläre Prozesse regulieren (z.B. miRNA = «micro-RNA», lncRNA = «long non-coding RNA», …)
  • genomische RNA, Speicher genetischer Information: Es gibt Viren, welche die genetische Information in Form von RNA (nicht DNA) abspeichern.

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RNA als Ursprung des Lebens

Die Vielseitigkeit der RNA trug massgeblich zur Entstehung der Idee bei, dass der Ursprung allen Lebens auf der Erde auf dem Molekül RNA basiert.

Lange Zeit war es der Wissenschaft ein Rätsel, wie ein derartig kompliziertes System der Übertragung der Erbinformationen (basierend auf DNA, RNA und Protein) überhaupt aus der «Ursuppe» vor mehreren Milliarden Jahren entstehen konnte. Gewiss - DNA ist ein idealer Speicher von Informationen, doch darüber hinaus ist DNA nicht sehr vielseitig. Zellen sind für Überleben, Wachstum und Vermehrung auch auf andere Moleküle angewiesen, insbesondere auf Eiweisse (Proteine). Denn Eiweissketten eignen sich besonders gut, um zu allen möglichen molekularen Maschinen gefaltet und zusammengesetzt werden. Allerdings können Proteine keine Information speichern oder sich selbst vermehren - DNA benötigt also Proteine zum Funktionieren und Proteine brauchen DNA zum Existieren. Die RNA kann aber beides: Informationen speichern und sich zu Maschinen falten – daher denken viele Wissenschaftler, dass die ersten Vorstufen zum Leben ausschliesslich aus RNA bestanden. DNA und Proteine wurden dann erst später «erfunden». Wie genau das alles passiert ist, wissen wir natürlich nicht wirklich – daher bezeichnet man die Idee, dass RNA den Ursprung des Lebens bildet, als Hypothese. Im Fachjargon liest man von der «RNA world hypothesis».

Grundlage für Gentechnik und Medikamentenentwicklung

Als Molekül ist RNA ist nicht nur faszinierend wegen der vielfältigen Funktionen, die es in der Zelle ausführt. Die Erforschung der RNA und ihrer Funktionen hat es ermöglicht, Methoden zu entwickeln, mit denen man gezielt in zelluläre Prozesse eingreifen kann. Dieses gezielte Manipulieren der Zelle findet seine Anwendung in der aktuellen Grundlagenforschung und darüber hinaus in der Entwicklung von Medikamenten und Therapien. Im Folgenden einige Beispiele dazu, wie die RNA die Medizin erobert:

Die Entdeckung der RNA Interferenz (RNAi) Ende der 90-er Jahre war ein Meilenstein in der molekularbiologischen Forschung. Erstmals konnte man mithilfe kurzen RNA Sequenzen gezielt Gene abschalten. Andrew Fire und Craig Mello erhielten 2006 den Nobelpreis in Physiologie oder Medizin für ihre Entdeckung von RNAi. Die Methode RNAi findet heutzutage eine breite Anwendung in der molekularbiologischen Forschung und auch in der Medizin. Aktuell sind zwei Arzneistoffe, die auf der RNAi Methode basieren, zur Anwendung zugelassen: Patisiran (zur Behandlung der hereditären ATTR-Amyloidose) und Givosiran (zur Behandlung der akuten intermittierenden Porphyrie). Weitere Medikamente, die auf RNAi basieren, sind in der Entwicklung.  

Antisense Oligos (ASOs) sind kleine, synthetische RNA Stückchen, mit denen gezielt ein wichtiger Schritt bei der Herstellung von RNAs (das «Splicing», englisch für Spleissen) beeinflusst werden kann. Es gibt bereits mehrere Medikamente in der Anwendung, die auf ASO Molekülen basieren, beispielsweise Eteplirsen (zur Behandlung der Duchenne Muskeldystrophie) oder Nusinersen (zur Behandlung der Spinalen Muskelatrophie).

Ähnlich wie ASOs, sind auch Antagomirs kleine, synthetische RNA Stückchen, die man in menschliche Zellen bringen kann. Jedoch funktionieren Antagomirs so, dass sie an bestimmte mikro-RNAs in der Zelle binden und diese somit inaktivieren. Ein Beispiel eines Antagomirs, das zu einem Medikament entwickelt wird, ist Miravirsen. Es soll in Zukunft zur Behandlung von chronischen Hepatitis C Virus (HCV) Infektionen eingesetzt werden.

CRISPR/Cas9 ist zurzeit in aller Munde, denn dieses System revolutioniert die Forschung und die therapeutische Entwicklung: Mithilfe kurzer RNAs kann nun eine Genschere gezielt an DNA herangeführt und diese anschliessend in ihrer Sequenz gezielt verändert werden. Diese Methode der Gentechnik eröffnet neue Wege - nicht nur in der Forschung, sondern auch in der pharmazeutischen Industrie. Verschiedene Medikamente, die auf der CRISPR Technologie basieren, sind in klinischen Versuchen. Ein Beispiel ist Sepofarsen, das Patienten mit Lebersche Kongenitale Amaurose wieder das Sehen ermöglichen soll. Übrigens erhielten Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier für die Entwicklung dieser Methode des Genom-Editings erst kürzlich den Nobelpreis in Chemie.

In rekordverdächtiger Zeit wurde während der aktuellen Corona-Pandemie eine neue, vielversprechende Klasse an Impfstoffen entwickelt. Die sogenannten mRNA-Impfstoffe sollen Immunität gegen das SARS-CoV-2 Virus geben. Die Impfung basiert auf synthetisch hergestellter mRNA, die von Zellen aufgenommen wird und sie dazu veranlasst, einige charakteristische, jedoch harmlose Bestandteile des Virus herzustellen. Diese werden dann vom Immunsystem erkannt und eine Abwehrreaktion kann entwickelt werden. So ist das Immunsystem in der Lage, das SARS-CoV-2 Virus bei einer Infektion schnell zu erkennen und sofort abzuwehren.

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RNA und Krankheiten

Ist man sich der zentralen Rolle der RNA für die Zelle bewusst, ist es nicht verwunderlich, dass Krankheiten entstehen können, wenn Fehler bei der Herstellung oder beim Abbau der RNA auftreten und somit die Funktionalität des Moleküls beeinflusst wird. Die Herstellung und der Abbau von RNAs sind komplizierte Prozesse, die aus vielen molekularen Schritten bestehen. Wenn sich Fehler bei diesen Schritten einschleichen, kann das dramatische Konsequenzen für den Organismus haben. Beispiele dafür sind die Spinale Muskelatrophie oder die erythropoetische Protoporphyrie, das Prader Willi Syndrom, sowie zahlreiche Krebsarten.

RNA ist also nicht nur ein vielfältiges und faszinierendes Molekül, sondern ihre Erforschung ist auch vielversprechend für neue Therapieansätze von Krankheiten, für die es bisher noch keine Behandlungen gab. RNA revolutioniert aktuell die Medizin in vielerlei Hinsicht – auch Dank jahrzehntelanger Grundlagenforschung von RNA Forschern weltweit.

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