RNA-katalysierte Synthese von post-transkriptionalen RNA Modifikationen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Claudia Höbartner
• Fachliche Zuordnung: Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 463143961

Nahezu alle Klassen kodierender und nicht-kodierender RNA enthalten definierte chemische Modifikationen, die wichtige funktionale Aufgaben erfüllen. Methylierte Nucleotide zählen zu den in der Evolution am stärksten konservierten RNA-Bausteinen, die durch spezialisierte Protein-Enzyme installiert werden. S-Adenosyl-L-methionin (SAM), das als Methylgruppendonor dient, und andere Nucleotid-haltige Cofaktor werden häufig als Überreste aus einer RNA-Welt betrachtet, in der RNA-Strukturen sowohl als genetisches Material als auch als Enzyme fungiert haben könnten. Methylierte Nucleoside wurden bereits auf der frühen Erde durch den Einfluss methylierender Agentien gebildet, und eine Hypothese legt nahe, dass diese für die Evolution katalytischer RNA vorteilhaft gewesen sein könnten. Andererseits ist anzunehmen, dass manche Methylierung der Replikation und der Speicherung genetischer Information im Wege stand, und es daher Ribozyme gegeben haben könnte, die diese Modifikationen entfernten. In-vitro-Evolutionsexperimente sollen die Rekonstruktion solcher Ribozyme im Labor ermöglichen.Ziel des vorliegenden Projektes ist die Entwicklung katalytisch-aktiver RNA für die positions-spezifische Übertragung bzw. die selektive Entfernung von RNA-Modifikationen und die Gewinnung grundlegender Erkenntnisse zu Ribozym-katalysierten RNA-Methylierungen. Der Forschungsplan baut auf dem erst kürzlich von uns berichteten ersten Methyltransferase-Ribozym auf. Das in vitro generierte Ribozym katalysiert die Bildung von 1-Methyladenosin (m1A) in der Ziel-RNA, wobei die übertragene Methylgruppe von O6-Methylguanin (m6G) stammt. Ausgehend von diesem Befund legen wir den weiteren Schwerpunkt auf Modifikationen, die an konservierten Positionen in tRNA und rRNA enthalten sind, wie z.B. m3C, m6A, i6A und 2'-O-Methylnucleotide. Der Schlüsselschritt in allen Selektionsexperimenten ist die Abtrennung methylierter von nicht-methylierter RNA, um nur die aktiven RNA-Moleküle selektiv zu amplifizieren. Hierzu sollen kürzlich von uns entwickelte Desoxyribozyme eingesetzt werden, die m6A oder i6A erkennen, und durch die Modifikation in der Ziel-RNA selektiv inhibiert werden. Als Alternative verwenden wir DNA-Enzyme, die nur die Spaltung erfolgreich modifizierter RNA induzieren, und dadurch die Selektion ermöglichen. Für die Untersuchung der Funktionsweise von Methyltransferase-Ribozymen sind chemische, biochemische und biophysikalische Studien geplant, um Einblicke in die Struktur des Ribozyms und die Gestaltung des aktiven Zentrums zu erhalten, und um Struktur-Funktionsbeziehungen aufzustellen. Durch gezielte Veränderung des Cofaktors werden die Ribozyme nicht nur natürliche Modifikationen installieren, sondern auch bioorthogonale funktionelle Gruppe an RNA anbringen können. Das Projekt wird zu einem vertieften Verständnis der katalytischen Fähigkeiten von RNA beitragen und das Repertoire nützlicher RNA-katalysierter Reaktionen für die RNA Forschung erweitern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen