Modell des RNA silencing

Einen Überblick über Gemeinsamkeiten und Unterschiede des Mechanismus des RNA silencing in den verschiedenen eukaryotischen Reichen geben Hammond (2005) und Susi et al. (2004).

Doppelsträngige RNA wird durch ein Enzym des RNaseIII-Typs mit der Bezeichnung Dicer in kleine RNA-Stücke von ca. 21 nt Länge gespalten, die sogenannten „kleinen interferierenden RNAs“ (small interfering RNA, siRNA) (Bernstein et al., 2001). Dicer besitzt eine dsRNA-Bindedomäne, zwei RNaseIII-Domänen, eine RNA-Helikase-Domäne und eine PAZ(piwi/argonaute/zwille)-Domäne, die am 2-nt-3’-Überhang der siRNA bindet. Die Existenz von siRNAs wurde zunächst in Pflanzen nachgewiesen (Hamilton und Baulcombe, 1999), dann auch in Drosophila (Hammond et al., 2000). In Drosophila-Zellextrakten wurde zuerst die Aktivität einer RNAse nachgewiesen und erkannt, dass siRNAs ein 5’-Phosphat- und ein 3’-Hydroxylende haben. Ein weiteres Kennzeichen von siRNAs ist der 2-Nukleotide-lange 3’-Überhang (Zamore et al., 2000; Elbashir et al., 2001). Einer der siRNA-Stränge wird dann in einen RNA-induzierten-silencing-Komplex (RNA induced silencing complex, RISC) eingebaut, der komplementäre mRNA erkennt, bindet und spaltet (Hamilton und Baulcombe, 1999; Hammond et al., 2000, Hannon, 2002, Zamore et al., 2002). Ein wesentlicher Bestandteil eines RISC ist in jedem Fall ein Mitglied der Argonaute (Ago)-Proteinfamilie. Agos besitzen wie Dicer eine PAZ-Domäne, sowie zusätzlich eine PIWI-Domäne mit endonukleolytischer Aktivität („Slicer“). Falls der siRNA/mRNA-Duplex Basenfehlpaarungen an der Schnittstelle enthält, wird die mRNA

nicht gespalten. RNA silencing wird in diesem Fall durch Inhibierung der Translation der mRNA bewirkt.

Neben durch exogene Aktivität hervorgerufenen siRNAs, auf die später eingegangen werden soll, gibt es weitere Arten endogener, kleiner, nichtkodierender RNAs: microRNAs (miRNAs) in Pflanzen und Tieren, sowie transagierende siRNAs (transacting siRNAs, ta-siRNAs), natürliche antisense-Transkript-siRNAs (natural antisense transcript siRNAs, nat-siRNAs) und cis-agierende siRNAs (cis-acting siRNAs, casiRNAs) in Pflanzen. Trotz ihrer großen Bedeutung bei der posttranskriptionalen Regulierung der Genexpression eines Organismus sollen diese Mechanismen des endogenen RNA silencing hier nur gestreift werden, da die durch exogene Aktivität hervorgerufenen Mechanismen im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen. Dennoch ist es wichtig, diese durch endogene, nichtkodierende RNAs hervorgerufene Mechanismen hier zu erwähnen, da die Gesamtheit dieser verschiedenen Mechanismen teilweise auf dieselben Komponenten zurückgreifen, so dass eine Beeinflussung einer Komponente eines Systems Auswirkungen auf Reaktionen in verschiedenen Pfaden haben kann, wie man an dem Beispiel der Expression von Suppressoren des RNA silencing sehen kann.

1.6.1 microRNAs

MicroRNA- oder miRNA-Gene sind unabhängige Transkriptionseinheiten, die oft in einer gewebeabhängigen oder zelltypischen Weise exprimiert werden (Parizotti et al., 2004;

Wienholds et al., 2005). Die durch RNA Polymerase II gebildete pri-miRNA wird in Säugetieren durch die RNaseIII Drosha (Lee et al., 2004) und den Kofaktor DGCR8/Pasha geschnitten, diese pre-miRNA mittels Exportin-5 aus dem Zellkern exportiert und durch Dicer in reife miRNAs prozessiert (Kim, 2004; Filipowicz et al., 2005). Entsprechend wird in Arabidopsis die pri-miRNA durch DCL1 (dicer like 1) prozessiert und vermutlich unter Beteiligung von HASTY aus dem Kern exportiert (Reinhart et al., 2002; Park et al., 2002;

Kurihara und Watanabe, 2004). miRNA bildet einen Duplex aus reifer miRNA (miR) und einem komplementären Strang (miR*) (Dunoyer et al., 2004), der abgebaut wird (Schwarz et al., 2003). In Pflanzen wird miR in RISC eingebaut und vermittelt die Spaltung der entsprechenden mRNA durch AGO1 (Qi et al. 2005; Baumberger und Baulcombe, 2005).

In Tieren inhibieren miRNAs im Allgemeinen vermutlich aufgrund eines geringeren Grades an Komplementarität die Translation reifer mRNAs. miRNAs haben eine große

Bedeutung in der Regulation von Entwicklungsvorgängen; so wurde die erste miRNA in C. elegans bereits im Jahre 1993 entdeckt, indem eine Mutation dieses Genorts die zeitliche Steuerung der Entwicklungsvorgänge störte (Lee et al., 1993). In Pflanzen sind miRNAs an der Regulation von Blühverhalten sowie an der Entwicklung von Blüten und Blättern, an der Auxinantwort und der Meristementwicklung beteiligt (Bonnet et al., 2006). Während in Tieren alle bekannten Beispiele des natürlichen RNA silencing nur miRNAs beinhalten, nutzen Pflanzen noch weitere Arten kleiner RNAs zur Regulation der Genexpression. Beispiele dafür sind tasiRNAs, nat-siRNAs und casiRNAs, deren Funktion im Folgenden kurz erläutert werden soll.

1.6.2 transacting siRNA

Transagierende siRNA (tasiRNA) wird aus tasiRNA-Vorläufern gebildet. Diese Vorläufer sind lange primäre RNAs, die durch Transkription von TAS Genen entstehen, welche offenbar keine Proteine kodieren. Die tasiRNA-Vorläufer werden durch spezifische miRNAs gespalten und eines der Spaltprodukte mittels einer abhängigen RNA-Polymerase (RDR6) in Verbund mit SGS3 in dsRNA umgewandelt. Die doppelsträngige RNA wird dann durch DCL4 in 21-nt lange tasiRNA gespalten (Vazquez et al., 2004;

Peragine et al., 2004). tasiRNAs regulieren, ähnlich wie miRNA, die Expression von mRNA durch Spaltung der mRNA (Peragine et al., 2004; Gasciolli et al., 2005; Xie et al., 2005; Yoshikawa et al., 2005).

1.6.3 natural antisense transcript siRNA

Vor kurzem wurde ein Genpaar auf entgegengesetzten DNA-Strängen entdeckt (cis-antisense Gene), aus deren überlappenden Transkripten eine siRNA gebildet wird, sobald die Expression des einen Gens durch Salz induziert wird. Diese natural antisense transcript siRNA (natürliche antisense-Transkript-siRNA, nat-siRNA) führt dann zu einer Spaltung des anderen Genprodukts (Borsani et al., 2005).

1.6.4 cis-acting siRNA

siRNAs vieler Organismen sind assoziiert mit methylierten und damit dem transkriptionalem gene silencing unterworfenen Transposons (Mette et al., 2002; Lippman und Martienssen, 2004; Lu et al., 2005a). Man nimmt an, dass in Pflanzen ein niedriges

Transkriptionsniveau durch eine neuentdeckte RNA-Polymerase namens POL-IV gewährleistet wird. Das Transkript wird dann wohl unter Beteiligung der RNA-abhängigen RNA-Polymerase RDR2 und DCL3 (dicer like 3) in siRNAs umgewandelt.

Man vermutet eine Rolle der gebildeten siRNAs bei der Methylierung des entsprechenden Genabschnitts (daher der Name cis-acting siRNA bzw. casiRNA). Der genaue Mechanismus ist allerdings noch unklar (Herr et al., 2005; Kanno et al., 2005; Onodera et al., 2005; Pontier et al., 2005, Vaughn und Martienssen, 2005).

Unmittelbar wichtig bei der Expression von Transgenen in Pflanzen sind jedoch zwei weitere Mechanismen des RNA silencing: einerseits dsRNA-produzierende Transgene und IR-PTGS (RNA silencing, vermittelt durch invers repetitiv angeordnete Transgene), andererseits sense-PTGS und transitives silencing, die im Folgenden erläutert werden sollen. Die aktuelle Modellvorstellung beider Mechanismen wird in Abbildung 1 verdeutlicht.

1.6.5 dsRNA-produzierende Transgene und IR-PTGS

Ein Grund für die verminderte Expression der Chalconsynthase in den eingangs erwähnten transgenen Petunien (Napoli et al., 1990; van der Krol et al., 1990) ist die Produktion von dsRNA, die durch die unbeabsichtigte Nachbarschaft von sense und antisense Transgenen während einer unvollständigen Integration der transgenen DNA in die genomische DNA verursacht wird (Stam et al., 1997; Metzlaff et al., 1997). Dieser beobachtete Effekt wurde nachfolgend gezielt eingesetzt, um in transgenen Pflanzen mittels der gleichzeitigen Transkription von sense und antisense Transgenen oder mittels des Mechanismus des IR-PTGS die Expression bestimmter Gene zu inhibieren (Waterhouse et al., 1998; Chuang und Meyerowitz, 2000). Obwohl IR-PTGS zum Knockdown der Genexpression vielfach verwendet wird, ist der genaue Mechanismus auch im Vergleich zu anderen Mechanismen des RNA silencing weitgehend ungeklärt. Mutanten mit einem Defekt in diesem Mechanismus konnten bisher nicht gefunden werden, was daran liegen könnte, dass die hohen Mengen an erzeugter dsRNA als Produkt für unterschiedliche Dicer und RISC dienen, die sonst unterschiedlichen Mechanismen zugeordnet sind. Studien, die Kombinationen von Dicer-Knockout-Mutanten untersuchten, deuten in diese Richtung (Gasciolli et al., 2005; Xie et al., 2005).

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verändert); dsRNA: doppelsträngige RNA; IR: Inverted Repeat; PTGS: Posttranskriptionales gene silencing; SC: single copy; vRDRP: viral RNA dependent RNA polymerase; cRDRP: cellular RNA dependent RNA polymerase; siRNA: small interfering RNA; P1/HC-Pro: protein1/helper component proteinase; RISC: RNA induced silencing complex.

1.6.6 sense PTGS und transitives silencing

Anfänglich hatte man angenommen, dass silencing eines Transgens hervorgerufen würde, sobald sense Transkripte einen bestimmten Schwellenwert überschritten. Dalmay et al. und Mourrain et al. identifizierten im Jahre 2000 die RNA-abhängige RNA-Polymerase RDR6.

Man geht heute davon aus, dass aberrante Transkripte von Transgenen, die beispielsweise keine 5’-Kappe aufweisen, als Matrize für RDR6 dienen. In Mutanten von Arabidopsis, die einen Defekt in XRN4 aufwiesen, einer 5’-3’-Exonuklease, die mRNA ohne 5’-Kappe degradiert, wurde eine verstärkte Anhäufung von transgener mRNA ohne 5’-Kappe beobachtet. Durch die vermutete Polymerase-Aktivität von RDR6 wurde diese aberrante mRNA in doppelsträngige RNA umgewandelt, was über den sense PTGS-Mechanismus letztlich zu einer Degradation aller transgenen mRNAs führte (Gazzani et al. 2004).

Während das in diesem Mechanismus beteiligte Dicer noch nicht gefunden wurde, sind andere Komponenten bereits identifiziert worden: das coiled-coil-Protein SGS3 (Mourrain et al., 2000), die RNase D Exonuklease WEX (Glazov et al., 2003), die sRNA-spezifische S-Adenosyl-Methionin (SAM)-bindende Methyl-Transferase HEN1 (Boutet et al., 2003) und die vermutete RNA Helikase SDE3 (Dalmay et al., 2001). SDE3 scheint nicht ein essentieller Bestandteil des s-PTGS-Mechanismus zu sein, könnte aber eine Bedeutung bei der Auflösung von Sekundärstrukturen von RNA-Molekülen haben, die als Matrize für RDR6 dienen (Dalmay et al., 2001). Welche Rolle WEX spielt, ist derzeit unklar, obgleich bekannt ist, dass die verwandte Exonuklase-Domäne von mut-7 für das silencing von Transposons und RNAi in Caenorhabditis elegans benötigt wird (Ketting et al., 1999).

HEN1 katalysiert die Methylierung freier Hydroxyl-Enden und schützt so kleine RNA in Arabidopsis vor Uridylierung, welche eine erhöhte Instabilität der sRNA bewirkt (Li et al., 2005). AGO1 spielt auch in diesem Mechanismus eine bedeutende Rolle, da in Mutanten mit keiner oder geringer AGO1-Aktivität die Menge durch s-PTGS hervorgerufener siRNAs drastisch sank (Morel et al., 2002). Man vermutet daher, dass AGO1 entweder eine Rolle bei der Produktion von siRNAs oder bei der Beladung von RISC mit siRNAs spielt. Eine Störung des letzteren Prozesses könnte ebenfalls zu einem schnelleren Abbau von siRNAs führen (Qi et al., 2005; Baumberger und Baulcombe, 2005).

RDR6 spielt auch eine Rolle in dem sogenannten Mechanismus der Transitivität. Unter Transitivität versteht man den Übergang von primären siRNAs, die einer Teilsequenz der ursprünglich als Ziel des silencing anvisierten Sequenz entsprechen, zu sekundären

siRNAs, die außerhalb dieses Zielbereichs liegen. In Pflanzen kann dieser Übergang sowohl in 3’- als auch in 5’-Richtung erfolgen, ein Phänomen, dem vermutlich eine Primer-unabhängige und eine Primer-abhängige Aktivität von RDR6 zu Grunde liegt.