Mit veränderter tRNA gegen Krankheiten

Ein Forschungsteam unter der Leitung der Universität Hamburg hat einen Weg gefunden, genetische Mutationen zu umgehen, die zu einem frühzeitigen Stopp der Proteinbiosynthese und damit zu schweren Krankheiten führen. 

Die Proteinbiosynthese (PBS) ist ein überlebenswichtiger Prozess, bei dem in Zellen neue Eiweiße entstehen. Sie werden mithilfe genetischer Informationen der DNA aus Aminosäuren aufgebaut. Spontane Mutationen der DNA können allerdings dazu führen, dass der Prozess frühzeitig abgebrochen wird, wodurch verkürzte und nicht funktionsfähige Proteine entstehen. Die Folge: schwere Krankheiten wie die Spinale Muskelatrophie (SMA), Mukoviszidose, Muskelschwund oder auch Wachstumshormonmangel. Etwa zehn bis 15 Prozent aller beschriebenen Gendefekte, die menschliche Erbkrankheiten verursachen, werden durch diese sogenannten Nonsense-Mutationen verursacht.

In der Vergangenheit haben ForscherInnen veränderte Transfer-RNAs (tRNAs) als Ansatz gesehen, um Fehler durch solche Mutationen zu korrigieren. „Die meisten Versuche basierten dabei auf der Umkodierung des sogenannten Anticodons“, erklärt Prof. Zoya Ignatova vom Fachbereich Chemie der Universität Hamburg. „Trotz des enormen therapeutischen Potenzials wurde mit diesem Ansatz aufgrund der sehr niedrigen tRNA-Aktivität bis heute noch keine klinische Studie durchgeführt. Unser Ansatz dagegen fokussiert sich auf andere tRNA-Segmente, die modifiziert werden können, um ihre Aktivität zu verändern.“

tRNAs sind ein wichtiger Baustein bei der Entstehung neuer Proteine. Jede tRNA besitzt einen bestimmten Code, das Anticodon, das sich an eine bestimmte Stelle der mRNA, das Codon, binden kann. Drei verschiedene Stoppcodons beenden den Prozess der Proteinbildung: UAA, UAG, UGA. Trifft ein sich an der mRNA entlang bewegendes Ribosom auf eines der drei Codons, kommt es zum Stillstand, da keine passenden tRNA-Moleküle für eine Aminosäure vorhanden sind. Stattdessen treten sogenannte Terminations- oder Release-Faktoren (RFs) an die Stelle und das Protein wird freigesetzt.

„Durch Mutationen kann es dazu kommen, dass normale Codons in Stoppcodons umgewandelt werden und die Entstehung des Proteins frühzeitig abgebrochen wird. Fast 1000 verschiedene genetische Störungen werden durch solche Mutationen verursacht“, sagt Dr. Suki Albers, Erstautorin der Studie und Mitarbeiterin in Ignatovas Arbeitsgruppe. „In einigen wenigen Microorganismen werden die schädlichen Auswirkungen solcher Mutationen durch sogenannte Suppressor-tRNAs geringgehalten. Sie entstehen in der Regel durch Mutation in der tRNA, um das neu entstehende Stoppcodon dennoch abzulesen. Menschliche Zellen verfügen nicht über einen solchen Reparaturmechanismus.“

Dies haben sich die Forschenden zunutze gemacht: „Zunächst haben wir am Computer verschiedene Suppressor-tRNAs generiert“, erklärt Prof. Andrew Torda vom Zentrum für Bioinformatik der Universität Hamburg. „Anschließend haben wir tRNAs synthetisch hergestellt und im Bakterium E. coli verschiedenen Tests unterzogen.“

So hat das Team schließlich tRNAs entworfen, die am Ribosom funktionieren und effizient Stoppcodons in E. coli unterdrücken. Der Prozess wurde nicht unterbrochen, sondern das Protein vollständig aufgebaut. „Die Optimierungsstrategie, die wir für die bakteriellen tRNAs verwendet haben, wurde in unseren neuesten Studien auf menschliche tRNAs übertragen. Unsere ersten Versuche in Tiermodellen zeigen eine sehr hohe Aktivität dieser tRNAs. Wir hoffen, dass diese positiven in vivo Experimente bald in klinische Studien überführt werden können, um neue Therapien menschlicher Gendefekte zu entwickeln“, sagt Ignatova.

Originalpublikation:
Albers S et al. Repurposing tRNAs for nonsense suppression. Nature Communications 2021;12:3850.