Die RNA-Interferenz (kurz RNAi oder auch RNA-Silencing) ist ein natürlicher Mechanismus in den Zellen von Lebewesen mit einem Zellkern (Eukaryoten), welcher der zielgerichteten Abschaltung von Genen dient. Sie ist ein Spezialfall der Gen-Stilllegung. Die RNA-Interferenz beruht auf einer Wechselwirkung kurzer Stücke von Ribonukleinsäure (RNA) mit der Erbinformation-übertragenden mRNA unter Beteiligung mehrerer Enzymkomplexe. Als Folge wird die mRNA in mehrere Bruchstücke gespalten und die zu übertragende Information wird zerstört oder eine Translation in ein Protein verhindert.
In den Biowissenschaften hat sich RNA-Interferenz als eine neue Möglichkeit zur Stilllegung von Genen („Gen-Knockdown“) etabliert. Seit 2018 sind bereits erste RNAi-basierte Therapeutika zugelassen, zahlreiche weitere werden klinisch entwickelt. Für die Entdeckung des Mechanismus der RNA-Interferenz erhielten die beiden US-Wissenschaftler Andrew Z. Fire und Craig C. Mello 2006 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.
Vorkommen mini|C. elegans – ein Modellorganismus für die Untersuchung der RNA-Interferenz Das Phänomen der RNA-Interferenz kann in allen Reichen eukaryotischer Lebewesen, einschließlich Pilzen, Pflanzen und Tieren, beobachtet werden. Daher wird angenommen, dass die RNA-Interferenz ein entwicklungsgeschichtlich sehr alter Mechanismus ist. Besonders gut sind die Mechanismen der RNA-Interferenz in den biologischen Modellorganismen Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand), Caenorhabditis elegans und Drosophila melanogaster untersucht. Insbesondere der Fadenwurm C. elegans dient als Modellorganismus zur Erforschung der RNA-Interferenz, da in diesen relativ einfach gebauten Organismus besonders leicht interferierende RNA über die als Nahrung dienenden genetisch veränderten E.-coli-Bakterien eingebracht werden kann und bei ihm robuste Interferenzeffekte zu beobachten sind.
Einige Bestandteile der RNA-Interferenz-Maschinerie, wie beispielsweise die für Funktion der RNA-Interferenz essenziellen Argonautenproteine, kommen auch in Prokaryoten vor. Ein der RNA-Interferenz der Eukaryoten weitgehend ähnelnder Prozess ist der CRISPR-Mechanismus der Prokaryoten zur Verteidigung gegen das Eindringen fremden Erbguts durch Viren.
Funktion In der Natur kommen verschiedene Typen interferierender RNA vor. Wenngleich diese verschiedenen Typen interferierender RNA gemeinsame oder verwandte Mechanismen nutzen, so ist ihre Funktion zum Teil sehr verschiedenartig.
Virusabwehr Die RNA-Interferenz spielt insbesondere bei Pflanzen bei der Verteidigung gegen fremde RNA eine wichtige Rolle. Sie stellt somit einen zentralen Bestandteil des pflanzlichen Abwehrsystems gegen RNA-Viren dar. An dieser Verteidigungsfunktion ist die siRNA (small interfering RNA), die in pflanzlichen Zellen als eine Folge der Infektion mit einem RNA-Virus bei der Vervielfältigung (Replikation) der Virus-RNA gebildet wird und zugleich der Zelle zur Erkennung und Zerstörung dieser fremden RNA dient, beteiligt. Zahlreiche Viren versuchen ihrerseits über eine Hemmung der an der RNA-Interferenz beteiligten Proteine, diesem Abwehrmechanismus zu entgehen.
Ähnliche Mechanismen der RNA-Interferenz zur Infektionsabwehr konnten auch bei Pilzen, Fadenwürmern und Insekten gefunden werden. Bei Säugetieren ist das Vorkommen eines körpereigenen siRNA-basierten Abwehrmechanismus nicht gesichert. Diese Aufgabe kann bei Säugetieren von spezieller zelleigener miRNA (micro RNA) mit einer direkten hemmenden Wirkung auf die Replikation von Viren wahrgenommen werden.
Regulation der Genexpression Die RNA-Interferenz spielt unter Beteiligung der zelleigenen miRNA bei vielen mehrzelligen Lebewesen bei der Regulation der Genexpression eine wichtige Rolle. Die im menschlichen Organismus auf etwa 1000 geschätzten verschiedenen miRNAs kontrollieren die Aktivität von etwa 30 % der menschlichen Gene. Hiervon sind unter anderem zahlreiche Funktionen des Immunsystems betroffen. Damit wird der Regulation der Genaktivität durch miRNA eine ähnlich große Bedeutung beigemessen wie der Regulation durch Transkriptionsfaktoren.
Auch eine zelleigene Variante der siRNA, die sogenannte esiRNA (endogenous siRNA), ist an der Regulation der Genexpression beteiligt. Diese sowohl bei Pflanzen, Pilzen als auch Tieren vorkommende interferierende RNA dient im Gegensatz zur exogenen siRNA nicht der Virusabwehr.
Kontrolle der Transposons Eine weitere Aufgabe, die Kontrolle sogenannter springender Gene (Transposons), wird insbesondere von einem weiteren Typ interferierender RNA-Moleküle wahrgenommen, der piRNA (PIWI interacting RNA). Diese Funktion der RNA-Interferenz spielt beim Menschen eine besondere Rolle bei der Spermatogenese und der Entwicklung des Embryos.
Mechanismus mini|RNAi aktiviert einen Prozess, der zum Abbau von spezifischer mRNA führt Es sind mehrere einander verwandte Mechanismen der RNA-Interferenz bekannt. An diesen Mechanismen sind als Komponenten kleine spezialisierte zumeist doppelsträngige RNA-Moleküle, ein als RNA-induced silencing complex (RISC) bezeichneter Enzymkomplex und die Ziel-RNA beteiligt. Die RNA-Interferenz kann im Allgemeinen in drei Phasen unterteilt werden. Im ersten Schritt werden in der Zelle größere doppelsträngige RNA-Moleküle mit Hilfe von Ribonuklease-Enzymen, wie Dicer und Drosha, in kurze doppelsträngige RNA-Fragmente geschnitten. Im zweiten Schritt werden diese Fragmente in Einzelstränge gespalten, und ein Strang, der sogenannte ‚Leitstrang‘ (nicht zu verwechseln mit dem Leitstrang der DNA-Replikation), wird in den RISC-Enzymkomplex aufgenommen. Letztlich kann der aufgenommene Leitstrang den Enzymkomplex aktivieren, eine mRNA zu spalten, die in ihrer Basensequenz zu der Sequenz des Leitstrangs komplementär ist. Auf diese Weise bestimmt der Leitstrang, welche mRNA in welcher Weise gespalten wird. Alternativ dazu kann der Enzymkomplex die Funktion einer zum Leitstrang komplementären mRNA als Informationsüberträger ohne Spaltung blockieren. Beide Wege können zu einer Unterdrückung der Umsetzung einer genetischen Information über ein Protein in ein Merkmal führen.
Bildung interferierender RNA mini|links|Strukturmodell von Dicer Ein erster zentraler Schritt der RNA-Interferenz ist die Bildung doppelsträngiger RNA-Moleküle (dsRNA) mit einer Länge von etwa 20 bis 30 Basenpaaren. Abhängig von ihrer Herkunft kann zwischen verschiedenen Typen kurzer doppelsträngiger RNA-Moleküle unterschieden werden.
mini|siRNA Die siRNA, eine etwa 19 bis 23 Basenpaare umfassende doppelsträngige kleine RNA mit jeweils zwei 3'-endständig überstehenden Nukleotiden, wird durch eine Spaltung eines großen doppelsträngigen RNA-Moleküls gebildet. Diese Vorläufer-RNA kann mehrere Hunderte bis Tausende Basenpaare lang sein und fällt beispielsweise bei der Vervielfältigung viraler RNA an. dsRNA kann nicht nur exogenen, sondern auch endogenen Ursprungs sein.Jochen Graw: Genetik. Springer, Berlin; 5., vollständig überarbeitete Auflage 2010; ISBN 978-3-642-04998-9; S. 317. An der Spaltung ist insbesondere das Enzym Dicer, eine sogenannte RNase III, beteiligt. Dieser Mechanismus wird insbesondere zur Verteidigung gegen RNA-Viren genutzt.
mini|Sekundärstruktur eines miRNA-Vorläufers Dem gegenüber ist die miRNA durch die genomische DNA codiert. In einem mehrstufigen Prozess wird aus nichtproteincodierenden Bereichen der DNA die miRNA gebildet. Primär wird pri-miRNA (primary miRNA) mit Hilfe der RNA-Polymerase II durch Transkription als RNA-Einzelstrang erzeugt, der sich aufgrund beträchtlicher palindromischer Bereiche zu einer charakteristischen Sekundärstruktur faltet. In tierischen Zellen wird die pri-miRNA noch im Zellkern mit Hilfe eines Enzymkomplexes, dem Microprocessor complex, unter Beteiligung der RNase Drosha in die haarnadelförmige pre-miRNA (precursor miRNA) mit einer Länge von 65 bis 70 Nukleotiden gespalten. Die gebildete pre-miRNA wird schließlich im Zytosol mit Hilfe von Dicer in einen jeweils etwa 21 bis 25 Basenpaare umfassenden miRNA-Doppelstrang geschnitten. In pflanzlichen Zellen hingegen erfolgt die Bildung eines miRNA-Doppelstrangs direkt aus der pri-miRNA unter Beteiligung der im Zellkern lokalisierten RNase DCL1.
Eine in tierischen Geschlechtszellen vorkommende Variante der RNA-Interferenz nutzt einzelsträngige piRNA (PIWI-interacting RNA). Die Bildung dieser etwa 24 bis 31 Nukleotide umfassenden interferierenden RNA-Moleküle unterscheidet sich wesentlich von der der siRNA und miRNA. An der noch nicht vollständig aufgeklärten Biogenese der piRNA sind weder doppelsträngige RNA-Vorläufermoleküle noch RNAsen vom Typ III beteiligt. Es wird unter anderem angenommen, dass die piRNA nach der Bildung eines Primärtranskripts durch Transkription eines piRNA-Clusters in einem als Ping-Pong-Mechanismus bezeichneten Kreislaufprozess unter Beteiligung von PIWI-Proteinen gebildet wird.
Neben diesen interferierenden RNAs sind weitere zur RNA-Interferenz befähigte RNA-Typen, wie beispielsweise 21U-RNA und die esiRNA, bekannt.
Bildung des RNA-induced silencing complex mini|Oberflächenstrukturmodell eines Argonautenproteins (grau) mit gebundenen Leit- (rot) und Zielstrang (grün)|175x175px Das zentrale Glied der RNA-Interferenz ist ein als RNA-induced silencing complex (RISC) bezeichneter Enzymkomplex. Die von Dicer gebildeten doppelsträngigen siRNA- oder miRNA-Moleküle werden an die Argonautenproteine des RNA-induced silencing complex übergeben. Dieser mit doppelsträngiger RNA beladene Komplex wird auch als Prä-RISC bezeichnet. Es werden innerhalb des Prä-RISC die Doppelstränge der gebundenen siRNA oder miRNA gespalten. Der als Leitstrang bezeichnete RNA-Einzelstrang verbleibt im RNA-induced silencing complex, der in diesem Zustand Holo-RISC genannt wird, während der andere Strang den Komplex verlässt und abgebaut wird. Schließlich wird eine zum Leitstrang komplementäre mRNA in den RNA-induced silencing complex eingebaut.
Funktion des RNA-induced silencing complex Spaltung der Ziel-RNA Die am besten erforschte Konsequenz aus der Aktivierung des RNA-induced silencing complex ist die Spaltung einer im Komplex gebundenen und zum Leitstrang komplementären mRNA. Dieser Mechanismus, der insbesondere bei siRNA beobachtet werden kann, setzt ein Argonautenprotein mit Endonuklease-Aktivität und eine möglichst perfekte Komplementarität zwischen Leitstrang und Ziel-mRNA voraus. Von den vier Argonautenproteinen des Menschen, die an der siRNA- oder miRNA-vermittelten RNA-Interferenz beteiligt sind, besitzt lediglich AGO2 eine Endonukleaseaktivität. Eine Spaltung der Ziel-RNA kann darüber hinaus als eine Folge der piRNA-vermittelten RNA-Interferenz beobachtet werden. Diese Spaltung ist auf die Endonukleaseaktivität der im Ping-Pong-Zyklus beteiligten PIWI-Proteine zurückzuführen. Die gespaltene Ziel-mRNA kann in den P-Bodys weiter abgebaut werden.
Inhibition der Translation