ncRNA - nicht codierende regulatorische RNA

Ein neues Verständnis des humanen Genoms

von Prof. Dr. John S. Mattick

Prof. Dr. John S. Mattick Institut für Molekulare Biowissenschaft, University of Queensland, Brisbane, Australien

Es scheint, dass die genetische Programmierung der mehrzelligen Organismen in den letzten 50 Jahren grundsätzlich falsch verstanden wurde. Grund hierfür ist die Annahme – weitgehend richtig in Prokaryoten, aber offensichtlich nicht in den komplexen Eukaryoten – dass die meiste genetische Information, einschließlich der regulatorischen Information, durch Proteine umgesetzt wird. In Menschen und anderen komplexen Organismen erscheint es zunehmend wahrscheinlicher, dass die Mehrheit der genetischen Information in den riesengroßen Abschnitten nicht-kodierender Sequenzen eingebettet ist, die regulatorische RNAs exprimieren um die Abläufe in der Differenzierung und Entwicklung zu kontrollieren, wie auch die Ontogenese und Funktion des Gehirns. Das, was als „junk“ abgetan wurde, weil es nicht verstanden wurde, mag der Schlüssel zur menschlichen Komplexität, Variation und dem Erkenntnisvermögen sein.

Das Konzept, dass Gene über das Intermediat messenger RNA (mRNA) für Proteine kodieren, durchzieht die Molekularbiologie seit ihren Ursprüngen, so wie der Gedanke, dass eine steigende Komplexität durch eine größere Zahl an (Protein-kodierenden) Genen unterstützt wird.

In der Tat besitzen Prokaryoten, die eine größere metabolische und ökologische Flexibilität zeigen, ein größeres Repertoire an Protein-kodierenden Genen und komplexere Organismen haben mehr Protein-kodierende Gene als Einzeller. Wie auch immer, die angenommene Beziehung zwischen Genzahl und Entwicklungsgrad wird zunehmend angezweifelt, da herausgefunden wurde, dass der einfache Nematode Caenorhabditis elegans mit nur ~ 1.000 Zellen die gleiche Zahl an Protein-kodierenden Genen (~ 20.000) besitzt wie Menschen mit ~ 100 Trillionen Zellen, die präzise in unzähligen, fein-skulpturierten Geweben angeordnet sind, inklusive eines Gehirns mit weitentwickelten kognitiven Funktionen. Darüber hinaus haben viele in den Genomen von C. elegans und Menschen kodierten Proteine orthologe Funktionen.

Obwohl das Proteom des Menschen durch die verstärkte Anwendung alternativen Splicings vergrößert wurde und zusätzlich Stamm-spezifische Gene existieren, der Umfang an Protein-kodierenden Sequenzen ändert sich nicht merkbar zwischen Wurm und Mensch, was darauf hinweist, dass die für die Programmierung einer fortgeschritteneren Entwicklungskomplexität erforderliche relevante Information hauptsächlich in den nicht-kodierenden Regionen des Genoms liegen muss, welche im Umfang bei komplexeren Organismen wachsen [1]. Das wiederum lässt den Schluss zu, dass diese nicht-kodierenden Regionen für ein zunehmend ausgeklügelteres regulatorisches System zur Kontrolle der Expression und der Verwendung des Proteoms kodieren, was mit der Beobachtung korreliert, dass wenigstens bei Prokaryoten, wo die meisten regulatorischen Vorgänge von Proteinen durchgeführt werden, das Verhältnis der regulatorischen Gene mit wachsender Genomgröße ansteigt [2].

Der Vorschlag, dass die extensiven intronischen und Intergen-nicht-kodierenden Regionen des Genoms der Säuger und anderer komplexer Organismen genetisch aktiv sein mögen, wird durch neuere Erkenntnisse stark gestützt, nämlich dass die überwiegende Mehrheit des Genoms, von Würmern bis Menschen, in einer entwicklungsabhängigen Weise transkribiert wird, hauptsächlich in nicht-Protein-kodierende RNAs (ncRNAs). Diese Transkripte werden in erstaunlich komplexen Mustern von überlappenden und vernetzten Transkripten exprimiert, häufig weite Regionen des Genoms überspannend, was darauf hinweist, dass sie ununterbrochen Information enthalten [3]. Gleichzeitig gibt es zunehmend Hinweise auf hoch entwickelte Netzwerke RNA-basierter regulatorischer Systeme in höheren Eukaryoten. Diese schließen die gut charakterisierten miRNAs und siRNAs ein, die die mRNATranslation und Stabilität kontrollieren (von denen die meisten noch entdeckt werden müssen, speziell die, die in begrenzten Zellpopulationen und/oder Speziesspezifisch exprimiert werden), siRNAs, die das transkriptionelle „gene silencing“ bewirken und Heterochromatin-Bildung kontrollieren und piRNAs, die die Transposon-Aktivität in Keim- und somatischen Zellen von Fliegen bis Menschen kontrollieren. Sie schließen auch ein wachsendes Repertoire an längeren ncRNAs ein, von denen Zehn-, wenn nicht sogar Hunderttausende in Säugern vorhanden sind [3]. Diese ncRNAs werden dynamisch während der Differenzierung und Entwicklung exprimiert [2,4], einschließlich der embryonalen Stammzell-Differenzierung [5] und im Hirn [6]. Sie zeigen präzise zelluläre und subzelluläre Lokalisationen, ein Hinweis auf funktionale Spezifität (Abb. 1).


Abb. 1: Expression langer ncRNAs in spezifischen Regionen und Zellen im Hirn erwachsener Mäuse, nachgewiesen durch In- situ-Hybridisierung. Bilder der ncRNA-Expression (Accession IDs angegeben) in der Sagittalebene mit entsprechenden Darstellungen im „false color heat map" Verfahren darunter (a–d) Hippocampus: (a) keine Probe (Kontrolle), mit den funktional distinkten CA1, CA2, CA3 und dentaten Gyrus (DG) Subfeldern markiert; (b-d) angereicherte ncRNA-Expression in DG (b) und CA1–CA3 (c) und DG und CA1 in Kombination (d). (e–h) Cortex: (e) keine Probe (Kontrolle) mit markierten kortikalen Schichtgrenzen; (f–h) angereicherte ncRNA-Expression, die mit spezifischen kortikalen Laminä korreliert. (i–l) Cerebellum: (i) keine Probe (Kontrolle), mit den molekularen (MO), Purkinje (PU) und granularen (GR) Schichten, ausgewiesen in den Detail- ansichten; (j–l) angereicherte ncRNA-Expression assoziiert mit Kleinhirn-Subregionen. ncRNA AK082312 (l) wird gegenüberliegend von Cbln1 transkribiert, ein Gen entscheidend für die Erhaltung der Synapsenintegrität und Plastizität in Purkinje- Zellen (Hirai H, Pang Z, Bao B, Miyazaki T, Li L, Miura E, Parris J, Rong Y, Watanabe M, Yuzaki M, et al. (2005) Nat. Neurosci. 8: 1534–1541). Die ursprünglichen Bilder stammen von „The Allen Brain Atlas – Mouse Brain" (siehe http://www.brain-map.org/). Die Abbildung basiert auf Ref. [6] und ist mit Genehmigung von The Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America

Während die meisten dieser RNAs noch nicht untersucht wurden, werden steigende Zahlen mit der Kontrolle von Chromatin-Architektur und epigenetischer Erinnerung in Verbindung gebracht [7], die zentrale Rollen in der Entwicklungsontogenese komplexer Organismen einnehmen, ebenso wie die Übermittlung in das System der Umweltinformation via „RNA editing“. Letzteres scheint speziell im Gehirn wichtig zu sein und hat sich in Menschen stark verbreitet, speziell in „repetitiven“ Alu-Sequenzen (die Primaten-spezifisch sind), was darauf hinweist, dass „RNA editing“ ein zentraler Prozess zur Stärkung des höheren Lernens, des Gedächtnisses und der Erkennung ist [8].

Solche Beobachtungen stehen im Widerspruch mit der verbreiteten Ansicht, dass nur ~ 5 % des menschlichen Genoms „konserviert“ sind (d. h. unter reinigender Selektion für Funktionen typisch für Säuger) und daher funktional. Wie auch immer, dieses Abbild schließt solche Sequenzen aus, die abstammungsspezifisch sind und solche die ortholog sein mögen, aber relativ schnell abgezweigt sind, im Vergleich zu Protein-kodierenden Sequenzen und einigen regulatorischen Sequenzen, die durch strikte Struktur-Funktions-Beziehungen oder multilaterale Interaktionen eingeschränkt sind. Dies ist auch auf der fraglichen Annahme begründet, dass sehr alte, aus Transposons stammende Sequenzen, die als Referenz-Sequenzen für die Rate „neutraler Evolution“ verwendet werden, nicht funktional sind, trotz der Tatsache, dass sie in unseren Genomen (in einigen Fällen) seit Hunderten von Millionen Jahren ko-existieren.
Tatsächlich ist der Rohstoff für evolutionäre Innovationen die Sequenzduplikation und Transposition und es gibt zunehmend Hinweise darauf, dass solche Sequenzen (viele von ihnen stammen aus RNAs), aktive Rollen in der Regulation von Entwicklungsprozessen spielen [4,9]. Daher erscheint es, dass viel, wenn nicht das meiste, des menschlichen Genoms und das anderer komplexer Organismen, funktional sein kann und sich größtenteils einem ausgeklügelten, RNAbasierten regulatorischen System widmet, das Differenzierung und Entwicklung kontrolliert.

Daher sollte man beim eukaryotischen Genom eher an eine RNA-Maschine denken, als es als Inseln von Protein-kodierenden Genen in einer sich ausweitenden See aus evolutionärem „junk“ zu sehen [10]. Vorausgesetzt, dass Menschen dasselbe Proteom besitzen und dass dieses größtenteils mit dem anderer Säuger und Vertebraten übereinstimmt, dann ist der klare Schluss daraus, dass der Großteil der Unterschiede zwischen Individuen und Spezies wahrscheinlich in der RNA-basierten Kontrollarchitektur eingebettet ist.

Der Grund, warum dies nicht früher erkannt wurde, liegt an dem Protein-fokussierten Blick auf die genetische Programmierung, was zunehmend primitiv erscheint, einhergehend mit der Tatsache, dass die meisten Variationen in regulatorischen Sequenzen nur sehr fein sind und bis vor kurzem nicht im Detail untersucht wurden (oder untersucht werden konnten), im Gegensatz zu Mutationen in Protein-kodierenden Sequenzen, die oft desaströse Konsequenzen haben. Wir scheinen an einem Neubeginn in unserem Verständnis der genetischen Programmierung der menschlichen Entwicklung zu stehen, so wie wir anfangen die Funktionen von ncRNA nicht nur beim Spezifizieren unserer Evolution, Ontogenese und individuellen Differenzen zu erforschen, sowohl physisch wie auch mental, sondern auch in den molekularen Ursachen von Krebs und anderen komplexen Krankheiten. Das wird enorme praktische Folgerungen und Konsequenzen haben und wird ein Unternehmen sein, das die molekulare Biologie in absehbarer Zeit einnehmen wird. Wir danken Applied Biosystems für die Erlaubnis die Fotomontage von John Mattick zu verwenden.

Foto: © Prof. Dr. John S. Mattick

Literatur
[1] Taft RJ, Pheasant M, Mattick JS (2007) The relationship
between non-protein-coding DNA and eukaryotic complexity.
Bioessays 29: 288-299
[2] Mattick JS (2007) A new paradigm for developmental biology.
Journal of Experimental Biology 210: 1526-1547
[3] Mattick JS, Makunin IV (2006) Non-coding RNA. Human
Molecular Genetics 15: R17-R29
[4] Amaral PP, Mattick JS (2008) Noncoding RNA in development.
Mammalian Genome, epub ahead of print,
doi: 10.1007/s00335-008-9136-7.
[5] Dinger ME, Amaral PP, Mercer TR, Pang KC, Bruce SJ,
Gardiner BB, Askarian-Amiri ME, Ru K, Soldà G, Simons
C, Sunkin SM, Crowe ML, Grimmond SM, Perkins
AC, Mattick JS (2008) Long noncoding RNAs in mouse
embryonic stem cell pluripotency and differentiation.
Genome Research 18:1433–1445
[6] Mercer TR, Dinger ME, Sunkin SM, Mehler MF, Mattick
JS (2008) Specific expression of long noncoding RNAs in
the mouse brain. Proceedings of the National Academy
of Sciences of the United States of America 105: 716-
721
[7] Mattick JS, Amaral PP, Dinger ME, Mercer TR, Mehler
MF (2008) RNA regulation of epigenetic processes.
Bioessays in press
[8] Mattick JS, Mehler MF (2008) RNA editing, DNA recoding
and the evolution of human cognition. Trends in
Neurosciences 31: 227-233
[9] Pheasant M, Mattick JS (2007) Raising the estimate of
functional human sequences. Genome Research 17:
1245-1253
[10] Amaral PP, Dinger ME, Mercer TR, Mattick JS (2008)
The eukaryotic genome as an RNA machine. Science
319: 1787-1789