RNA-Interferenz – Abschalten eines Gens

RNA-Interferenz – Abschalten eines Gens Übung

• Bestimme die Funktionsweise der RNA-Interferenz-Enzyme.

  Tipps

  Bei dem Mechanismus handelt es sich um ein auf RNA basiertes System.

  Zunächst muss die doppelsträngige RNA in Einzelstränge aufgetrennt werden.

  Lösung

  Die RNA-Interferenz ist ein Mechanismus bei eukaryotischen Lebewesen, um gezielt Gene abschalten zu können. Hierbei sind mehrere Mechanismen beteiligt.

  Das Dicer-Enzym zerschneidet die doppelsträngige RNA in kleinere Fragmente. Die Fragmente werden von der RNA-Helicase in Einzelstränge aufgetrennt. Die einzelsträngige RNA lagert sich an ein Risc an und Risc katalysiert dann das Zerschneiden aller zu „seinem" Fragment komplementären RNA-Stränge.

• Bestimme den chronologischen Ablauf der Entdeckung der RNA-Interferenz.

  Tipps

  Die Helicase trennt kleinere Doppelstragfragmente.

  Die Petunienart exprimierte den violetten Blütenfarbstoff, bevor es genetisch verändert wurde.

  Lösung

  Die von den Wissenschaftlern gentechnisch veränderte Petunienart exprimierte ihren violetten Blütenfarbstoff, bevor sie verändert wurde ganz normal, und zeigte eine violette Blütenfärbung. Nach der Manipulation des Genoms war das Gen doppelt vorhanden. Durch die teilweise spiegelverkehrte Anordnung der Basen faltete sich die bei der Transkription entstandene RNA zu einem Doppelstrang um. Dieser wurde nun von den Mechanismen der RNA-Interferenz erfasst und zuerst von dem Dicer-Enzym in Fragmente zerteilt. Anschließend wurde die RNA in Einzelstränge aufgeteilt (Helicase), welche dann von Risc aufgenommen und alle zu „seinem" RNA-Strang komplementären RNA-Stränge zu weiteren Fragmenten zerschnitten wurden. Somit konnte die Translation der Blütenfarbstoff-RNA nicht stattfinden und die Blüte der Petunie zeigte keine Farbe mehr.

• Bewerte die Aussagen zur RNA-Interferenz.

  Tipps

  Durch eine doppelsträngige RNA wird der Mechanismus der RNA-Interferenz ausgelöst. Aber wird durch ihn nur doppelsträngige RNA abgebaut?

  Lösung

  Bei der RNA-Interferenz wird in erster Linie doppelsträngige RNA abgebaut. RNA-Interferenz ist unter anderem ein Mechanismus zur gezielten Abschaltung eines Gens, indem eine bei der Transkription entstandene (fälschlicherweise doppelsträngige) RNA oder pathogene doppelsträngige RNA zerstört wird, weshalb sie nicht mehr translatiert werden kann. Dieser Vorgang wird auch als „Gene silencing" bezeichnet. Bei der Transkription wird normalerweise einzelsträngige RNA synthetisiert. Ist aber eine einzelsträngige RNA komplementär zu dem von dem Risc-Enzymkomplex aufgenommenen RNA-Fragment, wird auch diese von ihm zerstört. Der Mechanismus findet aber in dieser Form nicht statt, wenn zu Beginn keine doppelsträngige RNA vorliegt. Er bewirkt aber den Abbau von doppel- und einzelsträngiger RNA.

• Schildere den Ablauf der Proteinbiosynthese.

  Tipps

  Ein zentrales Dogma der Biologie lautet: DNA zu RNA zu Protein.

  Damit die Translation erfolgen kann, muss die RNA aus dem Zellkern in das Cytoplasma gelangen.

  Lösung

  Ein Abschnitt der DNA, der für ein Merkmal codiert (Gen), wird bei der Transkription von der RNA-Polymerase abgelesen und nach dem Prinzip der komplementären Basenpaarung in RNA übersetzt. Nachdem die Introns bei dem Spleißen aus der RNA entfernt wurden und sie auf den Transport aus dem Zellkern heraus vorbereitet wurde (Prozessierung), nennt man diese RNA, die messenger RNA; kurz: mRNA.

  Sobald die mRNA aus dem Zellkern zu den Ribosomen transportiert wurde, beginnt die Translation. Hier werden mithilfe der Ribosomen und der tRNAs die Aminosäureketten synthetisiert. Dabei ist die Basensequenz der mRNA entscheidend für die Reihenfolge der Aminosäuren.

• Beschreibe die Entdeckung der RNA-Interferenz.

  Tipps

  RNA-Interferenz bezeichnet die gezielte Stilllegung eines Gens durch die Wechselwirkung von RNA-Molekülen.

  Die beteiligten Enzyme waren zu dem Zeitpunkt des Versuchs noch unbekannt.

  Lösung

  RNA-Interferenz bezeichnet die gezielte Abschaltung eines Gens durch die Zerstörung von doppelsträngigen RNAs. Die Entdeckung der RNA-Interferenz und ihrer Mechanismen ermöglichte einen tieferen Einblick in die Komplexität der Genetik. Man stellt fest, dass die simple Verdopplung des Blütenfarbstoffgens keine Steigerung der Farbintensität mit sich brachte, sondern einen Phänotypen ohne Blütenfarbstoff. Die RNA-Interferenz ist aber keinesfalls ein Mechanismus zur Verhinderung der Verdoppelung von DNA-Abschnitten, sondern zur Abwehr von Viren, die häufig aus RNA bestehen. Nur der Zufall brachte es mit sich, dass das verdoppelte Gen eine spiegelverkehrte Abfolge von Basen besaß, wodurch die beiden RNAs, die bei der Transkription der Gene entstanden, zueinander komplementär waren. Andernfalls hätte das Experiment vielleicht funktioniert.

• Entscheide, welche Prozesse direkt durch die RNA-Interferenz beeinflusst werden.

  Tipps

  Bei der Regulation der Genexpression kann in verschiedene Schritte der Proteinbiosynthese eingegriffen werden.

  GVOs ist die Bezeichnung fürGentechnisch veränderter Organismus.

  Bei der Entdeckung der RNA-Interferenz wurde die Petunie genetisch verändert.

  Die Abwehr von Bakterien wird nur indirekt und im weitesten Sinne von der RNA-Interferenz beeinflusst.

  Lösung

  • Die RNA-Interferenz ist ein wichtiger Zellmechanismus zur Abwehr von Viren und der Regulation von Genaktivität. Häufig führt sie zu einer Blockade der Translation, jedoch weisen neuere Forschungen darauf hin, dass die RNA-Interferenz ebenfalls den Verpackungsgrad der DNA und die Transkription beeinflusst.

  • Die RNA-Fragmente aus Viren-RNA oder microRNA aus dem zelleigenen Genom dienen als zielerkennende RNA, indem sie komplementäre RNA für den Abbau durch den angelagerten RISC-Komplex markieren.

  • Die RNA-Interferenz bewirkt eine Regulation der Proteinbiosynthese.

  • Die Abwehr von Bakterien wird nur indirekt und im weitesten Sinne von der RNA-Interferenz beeinflusst, obwohl die verschiedenen Abwehrmechanismen gegen fremdes Erbguts natürlich miteinander verzahnt sind.

  • GVOs zu Forschungszwecken können durch den RNA-Interferenz-Mechanismus erstellt werden, indem sich dieser zu Nutze gemacht wird, um die Expression bestimmter Gene zu verhindern. Dadurch ergibt sich oft ein bestimmtes Krankheitsbild: Wird zum Beispiel die Expression des Lactasegens (Das Enzym Lactase ist für die Milchzuckerverdauung mitverantwortlich) verhindert, bewirkt dies im entsprechenden Organismus eine Lactoseintoleranz. Mit diesem GVO kann dann nach Heilungs- und Therapiemöglichkeiten gesucht werden.