19.08.2022 - John Innes Centre

Wie Umweltveränderungen die Form von RNA in lebenden Zellen beeinflussen

Ergebnisse eröffnen die Möglichkeit, dieses Wissen zur Feinabstimmung von Nutzpflanzen oder zur Entwicklung von RNA-basierten Therapien zu nutzen

Die Auswirkungen von Umweltbedingungen auf die dynamischen Strukturen von RNAs in lebenden Zellen wurden durch eine innovative Technologie aufgedeckt, die von Forschern des John Innes Centre entwickelt wurde.

Die Forschungsarbeiten, die das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen den Gruppen von Professor Dame Caroline Dean FRS und Dr. Yiliang Ding sind, erweitern unser Verständnis dessen, was auf zellulärer Ebene als Reaktion auf Umweltsignale geschieht. Dies eröffnet die Möglichkeit, dass wir dieses Wissen zur Feinabstimmung von Nutzpflanzen oder zur Entwicklung von RNA-basierten Therapien für Krankheiten wie COVID-19 (SARS-COV-2) nutzen können.

Frühere Forschungsarbeiten dieser Gruppen haben gezeigt, dass zwei wichtige genetische Elemente, COOLAIR und FLC, zusammenwirken, um die molekularen Reaktionen der Pflanzen auf Wärme und Kälte zu steuern.

Es war jedoch unklar, wie die RNA-Struktur von COOLAIR zur Regulierung von FLC beiträgt - einer genetischen Bremse für die Blüte von Pflanzen.

Die Forscher der Ding-Gruppe entwickelten eine neue Technologie, mit der die RNA-Struktur in lebenden Zellen mit der Auflösung eines einzigen Moleküls profiliert werden kann.

Mit dieser Technik konnten sie strukturelle Veränderungen der RNA beobachten. Unter warmen Bedingungen nimmt die COOLAIR-RNA drei vorherrschende Strukturen an, und diese Formen und Proportionen änderten sich, nachdem die Pflanzen kalten Temperaturen ausgesetzt wurden.

Sie stellten fest, dass Veränderungen der RNA-Konformationen in einer hypervariablen Region von COOLAIR die FLC-Expression veränderten.

Durch die Einführung von Mutationen in die Sequenz dieser RNA-Region konnten die Forscher die Blütezeit der Pflanzen verändern.

Dr. Ding sagte: "Unsere Arbeit hat gezeigt, dass RNAs verschiedene Konformationen oder Strukturen annehmen können. Diese verschiedenen Konformationen verändern sich dynamisch als Reaktion auf äußere Bedingungen. In dieser Studie haben wir die Blütezeit der Pflanzen verändert, indem wir die RNA-Struktur angepasst haben."

Das Verständnis dafür, wie die RNA-Struktur die RNA-Funktion beeinflusst, und die Möglichkeit, Pflanzengenome auf zellulärer RNA-Ebene zu verändern, erhöht die Möglichkeit, Pflanzenarten mit wünschenswerten agronomischen und ernährungsphysiologischen Merkmalen zu entwickeln.

Die Gruppe sagt, dass die Technologie auch auf menschliche Zellen angewendet werden kann, wo die RNA-Strukturen als Leitfaden für die Entwicklung von RNA-basierten Therapien dienen könnten.

Erstautor Dr. Pan Zhu sagte: "Jede RNA hat wahrscheinlich ihre eigenen RNA-Strukturlandschaften und Konformationsunterschiede. Unsere Technologie wird es uns ermöglichen, die weitreichende funktionelle Bedeutung von RNA-Strukturen in RNAs von Interesse wie SARS-COV-2 zu untersuchen".

Die Gruppe wird nun versuchen, ihre neue Technologie mit industriellen oder akademischen Kooperationspartnern auf RNA-Basis zu teilen.

Während des Prozesses der Genexpression wird DNA in RNA umgeschrieben, die dann zur Herstellung von Proteinen verwendet wird. RNA wird oft als "dünnes Molekül" bezeichnet, weil sie einsträngig ist, aber neuere Arbeiten haben ihre strukturelle Vielfalt und die Auswirkungen dieser Strukturen auf die Genregulation und die Proteinsynthese hervorgehoben.

In Pflanzen wirkt FLC als Bremse für die Blüte und ist ein wichtiger Teil eines molekularen Mechanismus, der dafür sorgt, dass die Pflanze erst dann blüht, wenn sie ein bestimmtes Maß an Kälteexposition erreicht hat. COOLAIR ist ein Antisense-Signal für FLC, das sich an dieses Signal bindet und dessen Transkription nach Kälteeinwirkung blockiert. Die Kenntnis dieser Mechanismen wird entscheidend sein, um die Folgen des Klimawandels zu verstehen.

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