alternatives spleissen – die vielen gesichter der gene - Eurasnet.info

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Zusammengespleisst fürs LebenDNARNATranskription&SpleißenTranslationDer Weg vom Gen zum Protein– die GenexpressionEin Gen ist ein Abschnitt auf derDNA, der die Erbinformation einesProteins enthält. Der erste Schrittder so genannten Genexpression istdie Transkription, die Umschrift derDNA in RNA. Zunächst entsteht beider Transkription ein RNA-Strang,der noch alle Introns (Abschnitte derDNA innerhalb eines Gens, die nichtfür ein Protein kodieren) und Exons(Protein kodierende Abschnitte derDNA) enthält. Dieser erste RNA-Strang wird als prä-mRNA oder auchunreife mRNA bezeichnet. Aus diesemPrimärtranskript werden die Intronsausgeschnitten und die Exons zurreifen mRNA zusammengefügt, einProzess, der Spleißen genannt wird.Nach der Transkription unddem Spleißen verlässt die reifemRNA den Zellkern und wird insZytoplasma transportiert, wo siesich an eine zelluläre Maschine,dem Ribosom, bindet. Die in dermRNA enthaltene Informationwird vom Ribosom in eineAbfolge von Aminosäuren übersetzt,die das Proteinmolekülformen. Dieser Prozess wirdTranslation genannt.Spleißen verbindetfürs LebenDer Ausdruck „Spleißen“ bedeutet dasZusammenfügen von zwei oder mehrerenlinearen Stücken desselben Materials.Er wird zum Beispiel in der Seemannsspracheverwendet, und zwar für das miteinanderVerbinden von zwei Tauenden.In der Genetik wird der Ausdruck “Spleißen”für das Verbinden der Exonsequenzen derprä-mRNA verwendet, aus der die nichtkodierenden Bereiche (Introns) herausgeschnittenwurden. Erst die so entstandene„reife“ mRNA kann dann in ein Proteinübersetzt, also translatiert, werden.123Spleißen: Das Gen – PuzzleBeim Spleißen werden die Abschnitte derRNA, die später nicht in die Sequenz einesProteins übersetzt werden, ausgeschnitten(Introns). Die verbleibenden, kodierendenRNA- Abschnitte (Exons) werden dann miteinanderverknüpft, also gespleißt. In eukaryotischenOrganismen wird das Spleißen durch eineriesige zelluläre Maschinerie, dem Spleißosom,bewerkstelligt. Es handelt sich dabei um einenKomplex aus RNA-Molekülen und Proteinen.Das Spleißosom kann spezifische Sequenzenund Signale auf der prä-mRNA erkennen, dieAnfang und Ende jedes Introns markieren. Esermöglicht das Ausschneiden der Introns unddas anschließende Zusammenfügen der Exons.Das herausgeschnittene Intron wird in Formeines Lassos freigesetzt und danach abgebaut.Alternatives Spleißen - UnterschiedlicheProteine und doch dasselbe GenBei Introns kann es sich dabei um funktionsloseAbschnitte in der DNA handeln, die imVerlauf der Evolution ihre Bedeutung verlorenhaben. Ein Gen kann aber auch mehrere prinzipiellfunktionsfähige Abschnitte besitzenund erst während des Spleißprozesses wirdentschieden, ob eine DNA-Sequenz alsIntron oder als Exon behandelt und somitherausgeschnitten wird. So können auseinem Gen mehrere unterschiedlicheProteine entstehen. Diesen Prozessnennt man „Alternatives Spleißen“.BeispieleAlternatives Spleißen“Exon-Skipping”Alternative SpleißstelleIntronretentionsich gegenseitig ausschließende ExonsProtein4 | Zusammengespleißt fürs LebenZusammengespleißt fürs Leben | 5


Diversität als Strategie:Unser ImmunsystemDas Immunsystem muss auf eine große Zahl vonFremdkörpern reagieren können. Dazu brauchtes viele verschiedene Moleküle – diese werdendurch Alternatives Spleißen hergestellt.Ständig sind wir mit Bakterien, Viren und Parasitenkonfrontiert, die durch verschiedene Mechanismenversuchen in unseren Körper einzudringen. Dieserkann sich auf unterschiedliche Art und Weise wehren,zum Beispiel bildet die Hautoberfläche eineerste Barriere gegen diese Eindringlinge. Als weitereVerteidigung und zum Schutz vor Infektionen besitzenwir ein komplexes und flexibles Immunsystem. Eskann die dem Körper fremden Stoffe erkennen undbekämpfen. Für diese Aufgaben ist eine große Anzahlan Proteinen notwendig. Außerdem müssen sich dieZellen des Immunsystems an wechselnde äußereUmstände schnell und präzise anpassen können.Die einzigartige Vielfalt des Immunsystemswird zum Teil mit der Regulation von Genendurch Alternatives Spleißen erreicht.Ein Teil der Immunantwort wird von sogenannten Lymphozyten bewerkstelligt. Zudenen die B-Zellen und T-Zellen zählen.Die Mannigfaltigkeit der LymphozytenDie Oberfläche von Lymphozyten ist mit einer Vielzahlvon Proteinen bedeckt, die „Cluster of Differentiation“(CD) genannt werden. Ein Vertreter dieser Gruppe istCD45, ein Protein, das sowohl auf der Oberfläche vonB- als auch T-Zellen vorkommt. CD45 ist essentiell fürdie Entwicklung und die Funktion von menschlichenLymphozyten. Bei Personen, denen CD45 gänzlichfehlt, treten schwerwiegende Beeinträchtigungen desImmunsystems auf. Beispielsweise spielt CD45 einewichtige Rolle bei der Aktivierung vonT-Zellen im Zuge einer Immunreaktion.Im menschlichen Körper kommen unterschiedlicheVarianten von CD45 vor. Allediese Varianten sind jedoch Produktedesselben Gens.Die mRNA, die für CD45 kodiert, kannin acht verschiedeneDie prä-mRNA von CD45wird umfangreich alternativgespleißt. Jede derentstehenden Varianten desProteins, übernimmt imZuge einer Immunreaktion,eine andere Aufgabe bei derVeränderung von Immunzellen.Formen gespleißt werden, die auch unterschiedlicheFunktionen übernehmen.Drei variable Exons, Exon 4, 5 und 6, werdenin verschiedenen Kombinationen zusammengefügt.So können aus einer einzigen mRNAunterschiedliche CD45 Produkte entstehen.In naiven T-Zellen, also vor der Aktivierung durch einvon Körperzellen präsentiertes Antigen, wird eineForm von CD45 gebildet, die das Exon 4 beinhaltet.Die T-Zell-Aktivierung im Zuge einer Immunreaktionbewirkt, dass die prä-messenger RNA (prä-mRNA)von CD45 alternativ gespleißt und eine reife mRNAproduziert wird, die kein Exon 4 mehr enthält.Die Schwachstelle im System – Krankheiten,die durch einen Defekt im AlternativenSpleißen von CD45 verursacht werdenIst der exakt regulierte Prozess des AlternativenSpleißens von CD45 durch eine Mutationgestört, kann das zu einer Schwächung desImmunsystems, zur Autoimmunität oder aber auchzur Entwicklung von bösartigen Tumoren führen.Die am besten untersuchte CD45 Mutation beimMenschen ist eine Punktmutation im Exon 4,die bewirkt, dass die CD45 mRNA bei der T-ZellAktivierung falsch alternativ gespleißt wird.Dieser Defekt wurde mit dem Auftreten vonMultipler Sklerose in Zusammenhang gebracht.Darüber hinaus wurde eine erhöhte Frequenz anAutoimmun-Hepatitis beobachtet: Hepatitis isteine Entzündung der Leber, die vielfältige Ursachenhaben kann. Forschungsexperimente mit Mäusenzeigen, dass ein Spleißdefekt, hervorgerufendurch eine Mutation im Exon 4 des CD45 Gens, zurAutoimmunität führen kann. Das Immunsystem greiftin diesem Fall – verursacht durch eine veränderteAktivierung von T-Zellen - körpereigene Leberzellenan und löst dadurch die Entzündungsreaktion aus.Auch bei Menschen mit dem genannten Defekt imCD45 Gen, konnte ein Zusammenhang mit demAuftreten von Autoimmun-Hepatitis gezeigt werden.B- und T-ZellenB-Zellen sind in der Lage, mit den Rezeptoren an ihrer Zelloberflächekörperfremde Strukturen (in Form von so genanntenAntigenen) in ungebundener, gelöster Form zu erkennenund Antikörper dagegen zu produzieren. Antikörper sind jeweilsspezifisch für ein bestimmtes Antigen. Sie binden direktdaran und markieren es so für das Immunsystem. DurchAntikörper markierte Antigene können von weiteren Zellen desImmunsystems (zum Beispiel von natürlichen Killerzellen)erkannt und eliminiert werden, oder das Antigen wird durch dieAntikörperbindung neutralisiert.T-Zellen entstehen aus Lymphoblasten im Knochenmark. Vondort aus wandern sie als Vorläufer in den Thymus, wo ihreReifung stattfindet. Im Gegensatz zu den B-Zellen erkennenT-Zellen Antigene nur, wenn ihnen diese von anderen Zellenpräsentiert werden. Wird eine Körperzelle von einem Krankheitserregerbefallen, werden Bruchstücke des Eindringlings an die Oberflächeder Zelle transportiert, die in der Folge dort für T-Zellenerkennbar sind. Sobald eine T-Zelle ein Antigen erkennt, wird sieaktiviert. Aktivierte T-Zellen vermehren sich rasch und sind für dieImmunantwort unerlässlich.8 | Diversität als Strategie: Unser Immunsystem Diversität als Strategie: Unser Immunsystem | 9


SynapsenGehirn und GedächtnisDas menschliche Gehirn enthält etwa10 10 Nervenzellen (Neuronen), von denenjede einzelne an ca. 1.000 Kontaktstellenmit anderen verknüpft ist. Dieseriesige Anzahl an Zellen ist notwendig,um alle unsere Körperfunktionen sowieGedächtnisleistungen bewerkstelligenzu können. Alleine um die erforderlichenVerbindungsstellen zwischen den Neuronenzu generieren, ist eine immense Anzahlan unterschiedlichen Proteinen notwendig.Vernetztes DenkenFür die Vernetzung der Zellen unseres Gehirns und Nervensystems ist eine Vielzahlan Proteinen notwendig. Nur so können alle wichtigen Funktionen im Körper undim Gehirn gewährleistet werden. Alternatives Spleißen spielt eine entscheidendeRolle dabei, all die verschiedenen Proteine herzustellen.Synapsen - die Verbindungsglieder im NetzwerkNeurone haben lange, fadenförmige Fortsätze, über die Signale in elektrischer Formweitergeleitet werden. An den Schaltstellen zwischen den Neuronen jedoch, denso genannten Synapsen, ist diese direkte elektrische Leitung von einer Nervenzellezur nächsten durch einen schmalen Spalt, den synaptischen Spalt, unterbrochen.Damit unser Gehirn Leistungen wie die Erinnerung oder das Lernen erbringen kann,müssen ständig neue Verbindungen zwischen Neuronen oder zwischen Neuronenund anderen Zellen ausgebildet werden. Für die Ausbildung von neuronalenNetzwerken ist die Neuentwicklung von Synapsen von grundlegender Bedeutung.Zwei der Hauptakteure in diesem Prozess sind die Neurexine und die Neuroligine.„Gehirnproteine“ – Neurexine und NeuroligineNeurexine: Hunderte Proteinprodukte, dieauf nur drei Gene zurückgehenDrei Gene sind verantwortlich für die Produktion von sechs Neurexinen. Ausjeden der Neurexin-Gene werden zwei prä-mRNA Transkripte gebildet:• α-Neurexin mRNA (längere Version)• β-Neurexin mRNA (kürzere Version)sind asymmetrische Kontaktstellen zwischenNervenzellen. Hier wird die Information in Formvon Neurotransmittern weiter übertragen. Neurotransmittersind chemische Botenstoffe, dieSignale zwischen den Neuronen oder aber zwischenNeuronen und anderen Zellen, weitergeben, verstärkenoder modulieren können. An der präsynaptischenMembran werden Neurotransmitteraus Vesikeln oder Zellorganellen ausgeschüttet,sie überqueren den synaptischen Spalt und gelangenan die postsynaptische Membran, an der Rezeptorenals Neurotransmitter Empfänger sitzen. Dort wirddann das chemische Signal wieder in ein elektrischesumgewandelt und so innerhalb der Nervenzelle biszur nächsten Synapse weitergeleitet.Die Moleküle, die aus den Neurexin mRNAs gebildet werden,sind immer Membranproteine. Die Genprodukte der größerenα-Neurexin mRNAs haben das Potential, an viele Liganden zu binden. DieGenprodukte der kleineren β-Neurexin mRNAs hingegen können nur miteiner geringeren Anzahl von Substanzen wechselwirken. Der Teil des Proteins, deraußen an der Zelloberfläche liegt, ist hoch variabel. Der Grund für diese Variabilität ist, dass die sechs primärenNeurexin mRNA Transkripte extensiv alternativ gespleißt werden. Neurexine können potentiell in tausendenverschiedenen, funktionell wichtigen Versionen vorkommen. In verschiedenen Klassen von Neuronen werdenunterschiedliche alternative Spleißprodukte gebildet. Die Anzahl der Interaktionsmöglichkeiten von Neurexinenmit ihren Bindungspartnern wird durch Alternatives Spleißen drastisch erhöht. So erweitert die Vielfaltan alternativ gespleißten Neurexine und Neuroligine das mögliche Spektrum an Synapsen.Die Neurexine sind eine Gruppe von Proteinen, die ausschließlich im Gehirn zu finden sind. Es wirdimmer deutlicher, dass sie die „zentralen Organisatoren“ an den Nervenzellen sind. Sie spielen an denSynapsen sowohl bei der Signalübertragung als auch als Strukturmoleküle am synaptischen Spalt einewichtige Rolle. Die direkten Bindungspartner der Neurexine sind die Neuroligine. Die Interaktion zwischenden beiden Bindungspartnern ist entscheidend für die Zellerkennung im Nervensystem.Sowohl den Neurexinen als auch den Neuroliginen liegen mehrere Gene zugrunde. Jedes dieserGene kann durch Alternatives Spleißen in verschiedene Isoformen genannte Varianten abgewandeltwerden. Verschiedene Spleißvarianten von Neuroliginen können spezifisch mit verschiedenenSpleißvarianten von Neurexinen interagieren. Diese Interaktionen sind in der Phase der Bildungvon Synapsen essentiell. Die neuronale Vernetzung, die durch die Interaktion von unterschiedlichenSynapsen miteinander entsteht, gewährleistet die problemlose Signalübertragung zwischen den einzelnenZellen des Nervensystems und damit die beeindruckenden Leistungen unseres Gehirns.12 | Vernetztes DenkenVernetztes Denken | 13


XY…ungelöst?Eine Spleissserie bei der FruchtfliegeBei der Fruchtfliege (Drosophila melanogaster) wird dasGeschlecht auf eine besonders bemerkenswerte Artfestgelegt: Ob eine Fruchtfliegenlarve zum Männchenoder zum Weibchen wird, entscheidet AlternativesSpleißen. Am Modellorganismus Drosophola hatman viel über das Alternative Spleißen gelernt. DieseErkenntnisse können auch Aufschluss über ähnlicheMechanismen in anderen Lebewesen geben.Ein folgenschweres Verhältnis– Oder: Wie alles anfängtDie Geschlechtsbestimmung bei Drosophila istgenetisch bedingt. Ob eine Fliege männlich oderweiblich wird, wird durch die relative Anzahlvon X-Chromosomen und Autosomen, den„Nicht-Geschlechtschromosomen“, in einer Zellevorgegeben, also durch das VerhältnisX:A. Fliegen, die die gleiche Anzahl vonX- und autosomalen Chromosomentragen entwickeln sich zu Weibchen(X:A=1:1); Fliegen, die ein X-Chromosomund zwei Sätze von Autosomen aufweisen,schlagen den Entwicklungswegfür Männchen ein (X:A=1:2).„Sex-lethal“ spielt die HauptrolleDas Verhältnis von X zu A bestimmt,ob in dem Fruchtfliegenembryoaktives SXL-Protein vorkommt, dasProdukt des Gens „Sex-Lethal“ (sxl). BeiWeibchen wird dieses Protein in seineraktiven Form gebildet, in männlichenFliegen kann kein aktives SXL nachgewiesenwerden. Bei den Weibchenlegt das SXL Protein den Grundsteinzur Anlage der weiblichen Organe.Juan Valcárcel, Barcelona:„Die Fruchtfliege war das erste Modellsystem,also der erste Organismus,in dem gezeigt werden konnte, dassdas Alternative Spleißen ein wichtigerMechanismus der kontrolliertenGenregulation ist. In der Fliege konntedafür der erste Beweis erbrachtwerden und es ist ein fantastischesModell, um den Prozess des AlternativenSpleißens zu untersuchen undwirklich zu verstehen.“Drosophila melanogasterFruchtfliegen sind gelb-braun gefärbt, haben charakteristische,rote Augen und weisen schwarze Ringe rundum den Hinterleib auf. Die männlichen Fliegen (links)unterscheiden sich optisch von den Weibchen (rechts).Weibliche Fruchtfliegen sind ungefähr 2.5 mm lang, dieMännchen sind kleiner und die Hinterteile ihrer Körpersind dunkler. Außerdem haben sie am Hinterleib einenschwarzen Fleck und Ansammlungen von spitzen Haaren,die den Anus und die Genitalien umgeben. Diese Härchenwerden benutzt, um sich bei der Paarung am Weibchenfestzuhaken.Im Gegensatz zu Menschen, die in jeder Körperzelle 46Chromosomen aufweisen, kommt die Fruchtfliege mitnur 8 Chromosomen aus.In Weibchen wird aktivesSXL Protein produziert,während es bei Männchennicht vorhanden ist.Wenn SXL vorhanden ist,wird ein Genexpressionsweggestartet, der spezifisch fürweibliche Fliegen ist. TRAwird produziert und garantiertdie Produktion der weiblichenVariante von Folgeproteinen.Es setzt eine Abfolge von Reaktionen in Gang, die zu einerfür Weibchen spezifischen Genexpression führen. JedesGen kontrolliert in dem Vorgang ein einziges Folgegen.Wenn das SXL Protein gebildet wird, kommt es zu einerSpleißreaktion in der primären mRNA eines weiteren Gens,das tra genannt wird. Es wird eine mRNA produziert, die einaktives TRA Protein bildet. Ist hingegen kein aktives SXL ProteinChromosomenausstattung:gebildet worden, wie das bei den Männchen von Drosophilader Fall ist, wird auch kein aktives TRA Protein exprimiert.TRA geht schicksalhafte Bindungen einDas Protein TRA kann zusammen mit dem Genproduktvon tra2 Dimere formen. Als Folge dessen bindet es aneinen Spleiß-Verstärker des dsx-Gens. Durch diese Bindungwird die in der Kaskade folgende mRNA wiederum in ihrerfür Weibchen spezifischen Form gespleißt. Dabei handeltes sich um die mRNA des doublesex Gens (dsx).In einer weiteren Rolle: DSX – Das Doublesex ProteinTRA beeinflusst das Spleißen der dsx mRNA so, dasseine für Weibchen spezifische Form des Proteins entsteht– DSXF. Das „weibliche“ DSX Protein ist eine verkürzteVariante von DSX. Als Transkriptionsfaktor kann esdie Expression von Genen, die für die Weiterentwicklungzum Männchen zuständig sind, unterdrücken.Jede einzelne Körperzelle des Menschen, mit Ausnahme der Geschlechtszellen, trägt einen doppelten Chromosomensatzmit 23 Chromosomenpaaren. Davon ist das Chromosomenpaar 23 für die Geschlechtsbestimmung ausschlaggebend:Männer besitzen sowohl ein X- als auch ein Y-Chromosom, Frauen tragen zwei X-Chromosomen, siesind bezüglich der Geschlechtschromosomen homozygot.Beim Menschen beruht das biologische Geschlecht also auf der chromosomalen Ausstattung. Aber wie funktioniertdieser Mechanismus bei anderen Lebewesen? Wussten Sie beispielsweise, dass weibliche Schnabeltiere zehnX-Chromosomen und die Männchen fünf verschiedene X- und fünf verschiedene Y-Chromosomen haben? Und habenSie sich schon einmal Gedanken darüber gemacht, ob die Fruchtfliegen in Ihrer Obstschale X- und Y-Chromosomenbesitzen?Wird kein aktives TRA Protein gebildet, führtdas Spleißen des primären dsx Transkriptszur Produktion der männlichen Variantedes Transkripts, also DSXM. DSXM verhindertdie Expression von Genen, die für dieweibliche Entwicklung spezifisch sind.Die weiteren Entwicklungsschritte führenalso zur Entstehung eines Männchens.DSXF ist die Version des DSX Proteins,die zur weiblichen Genexpressionführt – eine weibliche Fliegeentsteht.DSXM ist das für Männchen spezifischeProdukt. Es unterdrückt diefür Weibchen spezifischen Gene undstimuliert die für Männchen typischeGenexpression. Die sich entwickelndeFliege ist männlich.14 | XY…ungelöst? Eine Spleißserie bei Drosophila melanogasterXY…ungelöst? Eine Spleißserie bei Drosophila XY…ungelöst? melanogaster Eine Spleißserie | 15 bei Drosophila melanogaster | 15XY…ungelöst? Eine Spleißserie bei Drosophila melanogaster | 16


„Du musst deinen Feind kennen,um ihn besiegen zu können.“Viren besitzen im Allgemeinen nur kurze RNAoder DNA Sequenzen, die ihre gesamte genetischeInformation beinhalten. Sie verwenden deshalboft Alternatives Spleißen, um trotzdem einegroßen Anzahl an Proteinen produzieren zukönnen. Dies ist auch bei HIV der Fall.Spleißen als möglicherAngriffspunkt gegen HIVWenn das Alternative Spleißen unterbrochenwird, ist das Virus in seinem normalenInfektionszyklus behindert und kann sich somitnicht mehr vermehren. Daher stellt dieserProzess einen Angriffspunkt für einen möglichenTherapieansatz bei HIV-Infektionen dar.HIV – Vielfalt auf kleinstem RaumDas Genom von HIV besteht aus zwei identischenKopien eines kurzen RNA-Moleküls. AlleHIV-Proteine werden von dieser RNA codiert, dieinsgesamt nur 9000 Basen lang ist. HIV gehört zurFamilie der Retroviren, deren Erbinformation alsRNA vorliegt, welche dann als DNA in das Genomder Wirtszelle eingebaut wird. Neben den typischenretroviralen Genen gag (codiert für Proteine für denZusammenbau des viralen Kapsids, also der viralenProteinhülle), pol (codiert für verschiedene Enzyme)und env (codiert für Proteine der Virushülle) enthältdas HIV-Genom noch sechs weitere Gene. Um allezum Überleben und zur Reproduktion erforderlichenChristiane Branlant, Paris:„Zusammen mit der Arbeitsgruppe vonJamal Tazi arbeiten wir an der Entwicklungeiner chemischen Substanz, diemanche Schritte des Spleißens verhindernoder zumindest limitieren kann.Diese Substanz kann die Vermehrungvon HIV in infizierten Zellen blockieren.Dies ist ein Versuch, eine effizienteArznei zu entwickeln, die beim Schrittdes Spleißens ansetzt.“Infektionszyklus von HIV – eine retrovirale InfektionEin HI-Virus besteht aus dem RNA Genom und einer Proteinhülle (envelope). Im ersten Schritt der Infektion bindet das Virusmit einem Molekül seiner Hülle, dem Glykoprotein envelope (ENV) an Rezeptoren auf der Oberfläche der Wirtszelle. Wirtszellenfür die Erstinfektion mit HIV sind beim Menschen vor allem T-Zellen. Nach der Fusion des viralen Kapsids mit der zellulärenLipidmembran tritt die Virus-RNA in die Zielzelle ein. Das linear- einzelsträngige RNA-Genom des Virus wird von einem Enzym,der Reversen Transkriptase, in ein lineares, doppelsträngiges DNA-Molekül kopiert. Dieser Schritt bedeutet ein Umschreiben vonRNA in DNA und gibt dem Virus den Namen: Retrovirus. Daraufhin wird die DNA in den Zellkern transportiert und in das Genomder Zelle integriert. Dort wird es Provirus genannt und dient als Vorlage für die nun folgende Transkription. Die DNA des Proviruswird in großer Menge wieder in die retrovirale RNA zurück übersetzt. Ein Teil der RNA wird noch prozessiert und dann diegesamte retrovirale RNA, also die gespleißte und die ungespleißte RNA, ins Zytoplasma transportiert. Im Zytoplasma findet dieTranslation, die „Übersetzung“ der RNA Sequenzen in Proteine statt. Die Proteine, die die virale Hülle bilden, formen zusammenmit zwei Kopien der ungespleißten viralen Gesamt-RNA (diese beiden RNA Stränge werden zum viralen Genom) das Virus Kapsid.Die fertigen Viren trennen sich als Knospen von der zellulären Plasmamembran ab.Funktionen ausüben zu können, werden diese wenigen viralen Genein einer sehr komplexen Art und Weise exprimiert.Über vierzig verschiedene Proteinprodukte werden durchAlternatives Spleißen aus der primären mRNA von nur neunGenen gebildet. Diese kann man in drei Gruppen einteilen:Proteine aus ungespleißter RNA, Proteine aus einfach gespleißterRNA und Proteine aus zwei- oder mehrfach gespleißter RNA.Es müssen also unterschiedlich gespleißte sowie ungespleißteTranskripte aus dem Zellkern der Wirtszelle ins Zytoplasmatransportiert werden. Dort werden sie entweder in dieentsprechenden viralen Proteine translatiert oder – imFall der ungespleißten RNA – als Genom für neueViruspartikel in Virushüllen verpackt. Normalerweisekann ungespleißte, unreife RNA den Zellkerngar nicht verlassen. Hier sorgt das Virus selbstvor – von seinem Erbgut kann das ProteinREV gebildet werden, das eine wesentlicheAufgabe übernimmt. Rev wandert zwischenZellkern und Zytoplasma hin und her. ImZellkern bindet es an die ungespleißteRNA und verhindert dadurch weiteresSpleißen. Es sorgt auch dafür, dassdie ungespleißte RNA ins Zytoplasmatransportiert werden kann. Dort sammeltsich die ungespleißte RNA an undwird dann in Virushüllen verpackt.HIV und AidsAcquired Immune Deficiency Syndrome (englischfür: erworbenes Immundefektsyndrom)ist eine Krankheit, die durch die Infektion mitHIV verursacht wird. Aids umfasst unterschiedlicheSymptome, die durch die Schädigungdes Immunsystems durch das HI-Virushervorgerufen werden. Diese Symptome sind inerster Linie Sekundärinfektionen und Tumore.Die Ansteckung erfolgt durch die Übertragungdes Virus über Körperflüssigkeiten.17 | „Du musst deinen Feind kennen, um ihn besiegen zu können.“ 18 | „Du musst deinen Feind kennen, um ihn „Du besiegen musst deinen zu können.“ Feind kennen, um ihn besiegen zu können.“ | 18„Du musst deinen Feind kennen, um ihn besiegen zu können.“ | 19


Eine mögliche Waffe gegen Krebs?Krebszellen sind körpereigene Zellen, dieunkontrolliert wachsenAlle Zellen in unserem Körper sind ständig Veränderungenunterworfen. Der Prozess der Zellteilung unterliegt imNormalfall strengen Kontrollen. Jeder einzelne Schritt wirdpräzise ausgeführt und auf seine Richtigkeit hin überprüft.Kommt es jedoch zu einer Veränderung im Erbgut der sichteilenden Zellen, können notwendige Wachstumskontrollenübersprungen werden und die Zellen beginnen sichun kontrolliert zu vermehren. Es entsteht ein Tumor.Bei weiterem Verlauf der Krankheit können einzelne Krebszellenaus dem Tumor abwandern und Neu-Ansiedlungen ananderen Stellen des Körpers bilden (Metastasen).Bei Krebserkrankungen ist also die Abstimmung von Wachstum,Zellteilung und programmiertem Zelltod gestört.Spleißen ist an entscheidenden Schritten desZellwachstums beteiligt. Eine Veränderungdes Spleißmusters kann gravierenden Einflussauf das Leben einer Zelle haben und auch zuErkrankungen wie Krebs führen.Das Protoonkogen ronAls Protoonkogen wird ein Gen bezeichnet, das beieiner Mutation zum Krebsgen werden kann. DasGenprodukt von ron, das vorwiegend in gesundenZellen produziert wird, ist ein Rezeptorprotein, dasdiverse zelluläre Aktivitäten, wie zum Beispiel dasZellwachstum und die Bewegung von Zellenre guliert. Beim menschlichen Magenkarzinomtragen die betroffenen Zellen eine alternativgespleißte Isoform des Proteins, ∆Rongenannt. Dieser Spleiß-Variante von Ron fehltein Exon. Das Vorkommen von ∆Ron wurdeauch in anderen Tumorarten wie zum BeispielBrustkrebs nachgewiesen. Die Veränderungenin der direkten Umgebung und im weiterenUmfeld der betroffenen Zellen, die dann tatsächlichzur Ausbildung von Tumoren führen,sind Gegenstand der derzeitigen Forschung.Wenn Tumorsuppressoreninaktiviert werdenKrebs kann auch durch die Inaktivierung vonTumorsuppressor- Genen entstehen. Wennein solches Gen durch Mutationen verändertwird, verliert die Zelle funktionsfähige„Unterdrückerproteine“ für das Zellwachstum.Diese hindern die Zellen im gesunden Zustandan einer unangemessenen Vermehrung. p53 istdas wohl „berühmteste“ Tumorsuppressorgen– sehr häufig findet man bei Krebserkrankungenbeim Menschen inaktiviertes p53. Das vom Gen p53kodierte Protein ist in die Kontrolle des Zellzyklusinvolviert und spielt sowohl beim programmiertenZelltod als auch bei der Aufrechterhaltung vonFunktionen nach der Zellteilung, von Mutter- zuTochterzellen, eine Rolle. Isoformen von p53, diedurch Alternatives Spleißen generiert werden, werdenin verschiedenen Geweben unterschiedlichexprimiert. Ihr Expressionsmuster ist, zum Beispielbei Brustkrebs beim Menschen, deutlich verändert.Giuseppe Biamonti, Pavia:“Wir beschäftigen uns in unserer Arbeitmit dem Protoonkogen ron, da wir verstehenwollen, mit welchen Mechanismen dasAlternative Spleißen kontrolliert, und in weitererFolge die Ausbildung von Metastasen,gefördert wird.Wenn wir wirklich verstehen, wie dieseProgramme funktionieren, können wir auchversuchen, Defekte darin zu korrigieren. Aufdiesem Weg könnte zum Beispiel die Ausbildungvon Metastasen verhindert werden.“Ein umfangreicheres Wissen und besseresVerstehen der Prozesse, die das Spleißenund Alternative Spleißen regulieren,ermöglicht einen wichtigen Einblickin die Entstehung und Entwicklungvon Tumoren. Die Identifizierung vonkrebsspezifischen Spleiß- Isoformenermöglicht die Entwicklung von diagnostischenoder prognostischenVerfahren. Darüber hinaus könnenspezielle Tumorantigene, diesich für therapeutische Zweckeeignen, gefunden werden.Die Entstehung vonKrebs kann auf verschiedenenWegenerfolgen. Einer davonhat seinen Ursprung ineinem Defekt im AlternativenSpleißen.20 | Eine mögliche Waffe gegen Krebs? Eine mögliche Waffe gegen Krebs? | 21


Ein Defekt im Alternativen Spleissenverursacht Spinale Muskelatrophie (SMA)Die genetische Ursache von SMAEin Gen am Chromosom 5 ist für die SpinaleMuskelatrophie, den angeborenen Muskelschwund,verantwortlich. Es handelt sich dabei um dassmn - oder „survival motor neuron“- Gen. DieBezeichnung des Gens lässt schon vermuten, dasses für das Überleben der Motoneuronen, alsoder Nervenzellen des Rückenmarks, welche dieMuskeln zum Arbeiten bringen, zuständig ist.Beim Menschen liegt das smn Gen in zwei Kopien, demsmn1 und dem smn2 Gen vor. Diese unterscheidensich in in ihrem DNA-Code nur durch fünf Bausteine.Einer dieser Unterschiede ist für die Krankheitverantwortlich: anstatt der Base Cytosin befindetsich an der entsprechenden Stelle ein Thymin.Dieser Unterschied bewirkt zwar keine Änderungder Proteinsequenz, aber er hat zur Folge, dassdie prä-mRNA von smn2 alternativ gespleißt wird.Aus diesem Gen wird neben einer kleinen Mengedes vollständigen Proteins hauptsächlich eineverkürzte Version - SMNΔ7 genannt - gebildet, diesehr unstabil ist und deshalb nur unwesentlichzur Funktion von SMN beiträgt. Beim gesundenMenschen wird deshalb das für die Bewegung derMuskeln benötigte SMN Protein mehrheitlich ausdem smn1 Gen und zum kleinen Teil aus smn2gewonnen. Bei SMA Patienten ist hingegen dassmn1 Gen defekt. Die kleinen Mengen SMN Protein,welche das smn2 Gen liefert, genügen nicht, unddie Motoneuronen sterben ab. Die Patienten zeigenfortschreitende Lähmungen und Muskelschwundund sterben meist an einer Atemschwäche - oftschon in den ersten zwei Lebensjahren.Die KrankheitDie Spinale Muskelatrophie ist eine Erkrankung derMotoneuronen, also der Nervenzellen, die für diewillkürliche Bewegung zuständig sind. Bei SMA Patientensind alle Muskeln des Körpers beeinträchtigt, sowohldas Gehen oder Krabbeln als auch Kau-, Schluck- undAtembewegungen können erschwert sein.In den meisten Fällen wird SMA als autosomal rezessiveKrankheit weitervererbt. Das bedeutet, dass ein Kind nurdann erkrankt, wenn beide Elternteile das veränderte Gentragen und dieses Gen auch an das Kind weitergeben. Wennbeide Eltern Überträger sind, ist die Wahrscheinlichkeit,mit der das Kind erkrankt, 1:4 oder 25%. Ungefähr einesvon 6000 Neugeborenen ist von SMA betroffen.Es gibt auch Fälle, in welchen die Krankheit nichtdurch Vererbung sondern durch Spontanmutationhervorgerufen ist.Eine mögliche Therapie?Daniel Schümperli hat sich der Aufgabe gewidmet,das falsche Spleißen des smn2 Gens zu korrigieren.Sollte dies gelingen, können auch SMA Patienten eineausreichende Menge an SMN Protein produzieren.Daniel Schümperli, Bern:„Sollte es gelingen, das Spleißen des smn2 Gens,also die Zusammensetzung der Information zukorrigieren, wäre es auch möglich, SpinaleMuskelatrophie zu heilen. Wir haben Methodenentwickelt, die genau das erlauben. Wir haben bisherin Zellkulturen von Patienten zeigen können, dasstatsächlich eine Korrektur des SMN2Genproduktes stattfindet, dass auch dieZellen von Patienten wieder mehr von demkompletten SMN Protein herstellen … ErheblicheSchwierigkeiten mit einer möglichen Gentherapiewerden sich noch ergeben, da man an einemGewebe wie dem Rückenmark nicht besondersgut manipulieren kann. Wenn diese Schwierigkeitenjedoch im Verlauf von drei bis vier Jahrenüberbrückt werden können, kann man daran denken,erste klinische Versuche am Menschen zustarten.“22 | Ein Defekt im Alternativen Spleißen verursacht Spinale Muskelatrophie (SMA)Ein Defekt im Alternativen Spleißen verursacht Spinale Muskelatrophie (SMA) | 23


GlossarApoptose: Die Apoptose ist eine Form des programmiertenZelltodes. Genauer handelt es sichdabei um ein „Selbstmordprogramm“ der Zelle,das entweder von außen angeregt werden kann,oder durch zellinterne Vorgänge ausgelöst wird.Autosom: „Nicht-Geschlechtschromosom“.Die Chromosomen, die nicht zu denGeschlechtschromosomen (Gonosomen)zählen werden Autosomen genannt.B-Zellen: B-Zellen werden im Knochenmark gebildetund können Antikörper gegen bestimmte Antigene,die in den Organismus eindringen, produzieren.Jede B-Zelle produziert eine Art von Antikörper.Chromosomen: sind die Träger derErbinformation im Zellkern der Eukaryoten.Die Information liegt in Form von DNA vor.Differenzierung: Als Differenzierung wird die funktionelleund strukturelle Spezialisierung von Zellen oderZellverbänden während der Entwicklung bezeichnet.DNA: Aus dem Englischen: Desox-ribonucleic acid.Die Desoxyribonukleinsäure ist der Träger derErbinformation in allen bekannten Organismen.Sie enthält alle, für das Überleben einer Zelle notwendigen,Informationen in chemischer Form.Eukaryotisch (auch eukaryontisch): (aus demGriechischen: eu=gut, echt und karyon=Nuss, Kern)Eukaryotische Zellen zeichnen sich durch einen, voneiner Kernmembran umschlossenen, Zellkern aus, derdie Erbinformation in Form von Chromosomen enthält.Exon: ist der Teil der prä-mRNA in Eukaryoten,der die Information für die Proteinsequenz enthält.Exons bleiben nach dem Spleißen in derreifen RNA erhalten und werden ins Zytosoltransportiert um dort translatiert zu werden.Geschlechtschromosom: X und Y Chromosomen sinddie in Säugetieren für die Festlegung des Geschlechtesverantwortlichen Geschlechtschromosomen.Intron: Der Teil der prä-mRNA, der zwischenden Exons liegt und keine Information für dasProteinprodukt enthält wird als Intron bezeichnet.Isoform: ist eine Version eines Proteins, die eineähnliche aber nicht identische Aminosäuresequenzaufweist. Isoformen können vom selben Genkodiert sein und von derselben prä-mRNA abstammen.Sie entstehen im Zuge des AlternativenSpleißens aus unterschiedlichen reifen mRNAs.Ligand: Ein Ligand ist ein Molekül, das an ein anderesMolekül bindet. Infolge der Bindung kann esdann seine biologische Funktion ausführen.Lymphozyten: Lymphozyten sind Zellen desImmunsystems der Vertebraten. Zu den Lymphozytenzählen B-Zellen, T-Zellen und natürliche Killerzellen.Prä-mRNA: wird eine noch nicht bzw. unvollständigprozessierte eukaryotische mRNA bezeichnet.Die prä-mRNA ist ein Zwischenprodukt bei derÜbersetzung der DNA in Proteine bei Eukaryoten.Ribosom: Das Ribosom ist eine komplexe zelluläreMaschine, die aus RNA und Proteinenbesteht. Die Translation, also die Übersetzungder Information von der prä-mRNA in Proteinwird von den Ribosomen durchgeführt.RNA: Aus dem Englischen: Ribonucleicacid;Ribonukleinsäure. Die RNA istverantwortlich für den Transportder genetischen Information vonden Genen bis hin zum Ribosom,das dann die Translationbewerkstelligt. RNA kann inverschiedenen Arten vorliegen,und abhängig davonunterschiedliche Aufgabenerledigen. Beispiele sind diemessenger-RNA oder BotenRNA (mRNA), ribosomale RNA(rRNA) und transfer-RNA (tRNA).Spleißen: Als Spleißen wirdin der Genetik der Prozessbezeichnet, der die Schritte desAusschneidens von Introns ausder prä-mRNA und Zusammenfügender Exons zur reifen mRNA beinhaltet.Spleißosom: Das Spleißosom ist eine aus RNAund Proteinen zusammengesetzte komplexeMaschine, die die Spleißreaktion durchführt.Synapse: Synapsen sind die Verbindungen, überdie Nervenzellen miteinander oder aber mitanderen Arten von Zellen (Muskelzellen oderDrüsenzellen), „kommunizieren“ können.Transkription: Bei der Transkription, dem erstenSchritt der Genexpression wird die in der DNAenthaltene Information in RNA umgeschrieben.Das ausführende Enzym ist die RNA Polymerase.Transkriptionsfaktor: Ein Transkriptionsfaktorist ein Protein, das in einem der Schritteder Transkription (Abschrift der DNA inRNA) eine regulatorische Wirkung hat.Frag mich doch!Zu diesem Themaweiß ich alles.www.eurasnet.infoTranslation: Bei der Translation wird die inder messenger RNA enthaltene Information vonden Ribosomen in das entsprechende Protein„übersetzt“. Diese Übersetzung geschiehtmit Hilfe von transfer RNAs (tRNAs).T-Zelle, Thymozyte: Thymozyten sind dieVorläuferzellen der reifen T-Zellen. Sie werden imThymus gebildet und reifen dort. Nach der Selektionverwandeln sich die Thymozyten und bilden den Poolder peripheren T-Zellen, die auf fremde Pathogenereagieren können. Diese peripheren T-Zellen sindaber tolerant gegen körpereigene Antigene.24 | Glossar Glossar | 25


EURASNET Köpfe –Die Mitglieder des NetzwerkesBei einer Infektion durch Viren wie dem Adeno-, Herpes- oderVaccinevirus sind die Mitglieder der SR Spleißfaktorenfamilieein Hauptangriffspunkt. Der Adenovirus kann zum Beispieldie zelluläre Spleißmaschinerie so umprogrammieren, dassbevorzugt virus-spezifische RNA bearbeitet, also gespleißtwird. Göran benutzt DNA Viren als Modellsysteme, umderen Mechanismen beim Spleißen von RNA zu untersuchen.Er will die grundlegenden Mechanismen, welchedie Genexpression kontrollieren, untersuchen.Welchen Einfluss hat Alternatives Spleißen auf die genomischeDiversität von Primaten? Das ist eine der Fragen,die Gil zu beantworten versucht. Außerdem versuchter zu klären, wie Alternatives Spleißen und genetischeKrankheiten zusammenhängen. Neben molekularbiologischenMethoden entwickelt er auch bioinformatische Programme.Frédéric Allain ist assoziierter Professor am Institut fürMolekulare Biologie und Biophysik der ETH in Zürich. Erbeschäftigt sich mit der Auflösung der NMR Strukturvon RNA Molekülen, Proteinen und Protein- RNAKomplexen, die in die Genregulation nach der Transkriptioninvolviert sind. Er hat bereits die Strukturen von verschiedenenSpleißfaktoren im Komplex mit RNA aufgeklärt(unter anderem PTb, SRp20 und Fox-1).Das Alternative Spleißen führt zur Synthese von verschiedenenProteinisoformen. Tumorzellen zum Beispiel,benutzen möglicherweise Alternatives Spleißen, um ihrProteinrepertoire zu erweitern. Neuartige therapeutischeStrategien zur Eindämmung der Entwicklung von Tumoren,könnten durch die Entwicklung von Spleißvarianten mitAnti-Tumor-Eigenschaften, möglich werden. Didier konntezeigen, dass Transkriptionsstimuli wie Steroidhormonedas Spleißen regulieren können. Diese Stimulierungerfolgt durch Rekrutieren von Ko-Regulatoren.Rolf und seine Arbeitsgruppe arbeiten an der Entwicklungeiner Datenbank und anderer bioinformatischer Programme,die für die Erforschung des Alternativen Spleißens wichtigsind. Um diese „Alternative Spleiß-Datenbank“ zu erstellen,werden per Computer vorausgesagte und manuellzusammengestellte Daten miteinander kombiniert. Derzeitist Rolf damit beschäftigt, verschiedene Hilfsmittel einzufügenund mit der Datenbank zu synchronisieren.Andrea untersucht SR Proteine in Pflanzen. Und zwarwill sie mehr über deren Einfluss auf das AlternativeSpleißen und in der weiteren Folge auf die Entwicklungder Pflanzen herausfinden. Manche dieser Proteine verändernden Alternativen Spleißprozess anderer Gene undbeeinflussen so die weitere Entwicklung der Pflanze.Andrea konnte außerdem zeigen, dass einige SR Proteineselbst alternativ gespleißt werden und ihr Spleißmusterdurch Umweltbedingungen beeinflusst wird.26 | EURASNET Köpfe – Die Mitglieder des Netzwerkes EURASNET Köpfe – Die Mitglieder des Netzwerkes | 27


Das Hauptinteressensgebiet von Diana ist die Rolle vonMutationen im Spleißapparat bei der Entstehung vonKrankheiten. Dazu verbindet ihre Arbeitsgruppe klinischeDiagnostik und Spleißmechanismen, um neueregulierende Elemente des Spleißens zu identifizieren.Sie untersucht bislang unbekannte RNA-ProteinInteraktionen sowie Systeme, um den Effekt desAlternativen Spleißens auf das Vorkommen vonSequenzvarianten, die im Zuge von DiagnostischenTestverfahren gefunden werden, zu erforschen.Fehlregulationen im Alternativen Spleißen spieleneine wichtige Rolle in der Entwicklung von Tumoren.Giuseppe und sein Team versuchen das Spleißen vonprä-mRNA zu kontrollieren, indem sie Spleißfaktoreninnerhalb von Zellen umlenken und somit derenVerteilung verändern. Das Modellgen, das sie für diesenZweck benutzen ist das Ron-Gen, das einenVertreter der Familie der Streufaktoren kodiert.Genomische Mutationen können Defekte im Spleißenvon prä-mRNA hervorrufen, die in die Pathogenese vonErkrankungen beim Menschen involviert sind. Die Verwendungvon rekombinanter DNA könnte möglicherweise helfen, dieseErkrankungen zu verhindern oder ein attraktives Werkzeugdarstellen, um manche der Defekte zu behandeln. Unterden von Francisco untersuchten Modellsystemen sinddie Spleißmechanismen von Genen, die bei Erkrankungenwie Cystischer Fibrose, Neurofibromatose, AtaxiaTelangectasia, Erkrankungen des Bindegewebes oder derWahrnehmung von Schmerzzuständen sowie bei neurodegenerativenErkrankungen eine Rolle spielen.Albrecht beschäftigt sich mit der Steuerungvon Spleißvorgängen durch intronische regulatorischeElemente. Spezifische RNA Elemente, undzwar CA-reiche Sequenzen, wurden von ihm alsSpleißverstärker oder Spleißdämpfer identifiziert. Sieregulieren die Effizienz der Spleißreaktion oder aber dieAuswahl der Spleißstelle beim Alternativen Spleißen.Prp8p ist ein hoch konserviertes Protein, das im katalytischenZentrum des Spleißosoms aktiv ist und stelltschon seit vielen Jahren das Hauptforschungsthemain Jeans Labor dar. Sie konnte gemeinsam mit ihrerArbeitsgruppe zeigen, dass eine Mutation im C-Terminusdieses Proteins, das beim Menschen Retinitis Pigmentosaverursachen kann, bei der Bäckerhefe einen Defekt inder Reifung des U5 snRNP verursacht. Dieser Typ derErkrankung kann demnach auf einen Defekt im Spleißenzurückgeführt werden. Jean untersucht auch denZusammenhang zwischen Trankription und Spleißen.Peers Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit Computerbiologie.Sie entwickelt Näherungen für funktionelle Auswirkungender molekularen Evolution und insbesondere desAlternativen Spleißens. Als eine der Ersten, erbrachtePeers Gruppe einen Beweis für die Erkennung einerbeträchtlichen Anzahl von Alternativen Spleißvarianten imMenschen. Weiters richtet sich Peers Interesse aufdie Untersuchung der Auswirkungen des AlternativenSpleißens in Proteinen und Proteinnetzwerken, beziehungsweiseauf Ebene von ganzen Geweben.28 | EURASNET Köpfe – Die Mitglieder des Netzwerkes EURASNET Köpfe – Die Mitglieder des Netzwerkes | 29


Christianes Hauptinteresse konzentriert sich auf die Analysevon RNA und RNP-Strukturen, sowie die Untersuchungdes funktionellen Verhältnisses dieser beiden zueinander.Das Alternative Spleißen von HIV-1 RNA wird alsModell benutzt, um den Einfluss der Struktur der prämRNAauf den Prozess des Alternativen Spleißenszu untersuchen. Christiane konnte die Beteiligung derSekundärstruktur der RNA auf das Zusammenspiel vonSpleißaktivatoren und -inhibitoren an zwei streng reguliertenAkzeptorstellen in der HIV-1 RNA (A3 und A7) zeigen.Faktoren, welche die Regulation des Alternativen Spleißenssteuern, und die verschiedenen Rollen, die SR Proteinein der post-transkriptionellen Regulation der Expressionspielen können, sind die Hauptinteressensgebiete vonJaviers Arbeitsgruppe. Das molare Verhältnis der SRProteine beeinflusst eventuell verschiedene Arten desAlternativen Spleißens. Darüber hinaus, stellt es aucheinen Mechanismus für die gewebespezifische Regulierungder Genexpression während der Entwicklung dar.In Johns Arbeitsgruppe wird die Regulation des AlternativenSpleißens bei der Genexpression in Pflanzen untersucht.Da die Erkenntnisse über das Alternative Spleißen inPflanzen wesentlich weniger umfangreich sind als in tierischenOrganismen, hat John ein RT-PCR Paneel entwickelt,das an die 300 alternative Spleißereignisse vonArabidopsis thaliana enthält. Dies wurde entworfen, umVeränderungen im Spleißmuster von Pflanzen zu erkennen,die unter verschiedenen Bedingungen gezüchtet wurden.Die Pflanzengruppen von EURASNET verwenden diesesSystem, um neue und interessante Ergebnisse zu erzielen.Einer der Hauptaugenmerke in Marias Labor liegt aufden Mechanismen, die an der Biogenese der messenger-RNA, beteiligt sind. Weiters möchte Maria zum besserenVerstehen der Pathogenese von Krankheiten, diedurch genetische Defekte verursacht sind, beitragen.Insbesondere werden neue Techniken entwickelt, um diedynamischen Prozesse im Aufbau und der Anordnungdes Spleißosoms in lebenden Zellen zu untersuchen.In der Vergangenheit hat Janusz verschiedene SoftwareInstrumente entwickelt, um die Struktur von Proteinenvoraussagen zu können. Darüber hinaus wurde von ihmund seinen Mitarbeitern eine erste Datenbank für RNA-Modifikationswege MODOMICS (http://modomics.genesilico.pl/) generiert. Zurzeit werden von ihm neueWerkzeuge für die Voraussage der Struktur von RNAMolekülen und Komplexen von Protein mit RNA entwickelt.Das Spleißosom ist eine dynamische Maschine, die bei ihrerSelbst-Aktivierung einer Reihe von Konformationsänderungenunterworfen ist. Um diese Veränderungen zu untersuchenentwickelt Ian Methoden für die kinetische Analyseder Proteinsammlung an der prä-mRNA der Dynamik desSpleißosoms. Er hat eine Methode entwickelt, bei derOligonukleotide verwendet werden, um das Spleißen zu stimulieren.Diese Methode wurde ursprünglich am SMN2 Genangewandt und nun von Ian in Hinblick auf eine Therapie fürSMA und Krebserkrankungen, weiter entwickelt. Vor einigenJahren hat Ian - aufgrund von kompetitierenden alternativenEreignissen - einen kinetischen Zusammenhang zwischenSpleißen und der Transkription vorausgesagt. Er beschäftigtsich nach wie vor mit dieser Thematik und untersucht, obdas Wiederholte Vorkommen von Exons das Spleißen zwischenTranskripten, die an einem Gen haften, repräsentiert.30 | EURASNET Köpfe – Die Mitglieder des Netzwerkes EURASNET Köpfe – Die Mitglieder des Netzwerkes | 31


Eduardo hat mit seiner Gruppe eine durch Computergestützte Methode, um Varianten von Transkripten auseiner exprimierten Sequenz vorherzusagen, entwickelt.Diese Methode wurde sowohl für die Analyse der Genomedes Menschen, als auch für die der Maus, der Ratte unddes Huhns verwendet. Seine derzeitige Forschung konzentriertsich auf die Untersuchung der Regulation vonSpleißereignissen. Eines der Ziele ist herauszufinden,wie die Information eines Exons oder dessen flankierenderIntrons den Spleiß-Phänotypen beeinflussen kann.Eduardo konnte ebenfalls einen Zusammenhang zwischenden Eigenschaften von SR Proteinen und Signalender branch point Region in Eukaryoten herstellen.Die Hauptaufgabe von Jørgen und seinem Team lautet:Die Untersuchung des Alternativen Spleißens ineinem Säugetiersystem. Genauer erforschen sie dieRegulation von mRNA Spleißen in HIV-1 sowie der mittlerenKette der acyl-CoA Dehydrogenase (MCAD). Dabeiist ihr Hauptaugenmerk auf die Frage gerichtet, wiezelluläre Spleißfaktoren mit der RNA interagieren, umdas Spleißosom zur richtigen Spleißstelle zu dirigieren.Weiters soll die Rolle der HIV-1 Proteine Rev undTat beim Spleißen in HIV aufgeklärt werden. Bei seinemzweiten Projekt beschäftigt sich Jørgen mit derAufklärung des Mechanismus, der für das exon skippingin der mutierten Version der mittleren Kette deracyl-CoA Dehydrogenase (MCAD) verantwortlich ist.Dieser Vorgang führt zu einem Mangel an MCAD Enzym.Die fazioskapulohumerale Muskeldystrophie (FSHD) isteine der häufigsten vererbten Erkrankungen der Muskelnbeim Menschen. Sie wird in Davides Arbeitsgruppe alsMusterbeispiel verwendet, um die molekularen Mechanismendes gewebsspezifischen Alternativen Spleißens zu erforschen.Genauer untersucht Davide die Mechanismen, die derGewebespezifität zugrunde liegen. Darüber hinaus erforschter die epigenetischen Unterschiede, die zur Auflösung dertranskriptionellen Repression von bestimmten Genen führen.Der Schwerpunkt von Albertos Forschungsarbeit liegtin der Untersuchung des Mechanismus, der die beidenMaschinerien für die Transkription und das Spleißen koppelt.Es soll die Regulation des prä-mRNA Spleißens untersuchtwerden, die Transkription und Spleißen koppelt. Weiters wirddie Koordination von Alternativen Spleißereignissen untersucht.Darüber hinaus konnte Alberto eine Änderung in derElongationsrate der Transkription entdecken, ein Vorgang, derdas Alternative Spleißen beeinflusst und zur Ausbildung vonmultiplen Proteinvarianten aus einem einzigen Gen führt.In Arturs Arbeitsgruppe wird der allgemeineMechanismus der Spleißregulation in Pflanzen untersucht.Genauer erforscht Artur mit seinem Team die Funktionvon Pflanzenproteinen, die in die Selektion der Spleißstelleund das Alternative Spleißen selbst involviert sind. Weitersbeschäftigt er sich mit dem Zusammenhang der Funktionvon Proteinen, die in den Stoffwechsel der Nukleinsäureneingebunden sind, und abiotischem Stress in Pflanzen.Angelas Interesse liegt in der Erforschung vonSpleißfaktoren, die beim Beginn des Aufbaus desSpleißosoms, die 3’ Spleißstelle definieren. SF1 ist solchein Faktor beim Menschen und ist essentiell für dasÜberleben der Zellen. Angela untersucht die Regulationder Aktivität von SF1 und seine Rolle beim Prozessierenvon prä-mRNA von bestimmten RNA Zielmolekülen inHeLa Zellen. Weiters werden die Expression und Funktionvon verschiedenen SF1 Isoformen geprüft, da die prämRNAvon SF1 selbst auch umfangreich gespleißt wird.32 | EURASNET Köpfe – Die Mitglieder des Netzwerkes EURASNET Köpfe – Die Mitglieder des Netzwerkes | 33


Angus untersucht die funktionelle Organisation im Nukleus vonSäugetierzellen mit Hilfe einer Kombination aus quantitativerProteomik und Fluoreszenzmikroskopie. Wichtig ist das fürdas Verstehen einer Vielzahl von Krankheiten beim Menschen,darunter einige genetisch determinierte Erbkrankheiten, bösartigeTumorerkrankungen und virale Infektionen, die dieZellkernorganisation und die Kernkörperchen zerstören. DieGruppe von Angus hat die Zusammensetzung der Proteine desmenschlichen Spleißosoms charakterisiert und das nukleolareProteom kartiert. Eine Datenbank der menschlichen nukleolarenProteine ist auf seiner Webseite einsehbar (http://www.lamondlab.com/NOPdb3.0). Angus und seine Gruppe habendie Lokalisation und Dynamik von prä-mRNA Spleißfaktorenund anderer nuklearer Proteine mit Hilfe einer Reihe vonMikrokopiertechniken – darunter FLIM-FRET –analysiert.Daniel und sein Team sind Vorkämpfer in der Entwicklungvon Therapieansätzen, die auf der Manipulation desAlternativen Spleißvorganges beruhen. Dazu verwendeter kleine stabile RNAs (U7 snRNA), die er so verändert,dass er damit genetisch determinierte Krankheiten, diedurch Fehler im Alternativen Spleißen ausgelöst werden(wie ß-Thalassämie, Duchenne Muskeldystrophie,oder Spinale Muskelatrophie) positiv beeinflussen kann.Reinhard möchte all die vielfältigen Komponenten desSpleißosoms isolieren und ihre Funktionen aufklären.Er will die Veränderungen in der Zusammensetzung desSpleißosoms untersuchen – qualitativ und quantitativ – diesich unter unterschiedlichen physiologischen Bedingungen,in verschiedenen Zellarten und an verschiedenen Stellender Entwicklung im Laufe des Zellzyklus ergeben.Bertrand untersucht den Aufbau von stabilen und dynamischenProteinkomplexen die an der Regulation desSpleißens beteiligt sind. Dabei interessiert ihn besondersdie frühe Erkennung des Introns durch den U1snRNP Komplex. Auch andere Proteinkomplexe, die dieFrüherkennung einer Spleißstelle regeln, werden zur Zeitfunktionell und strukturell untersucht. Darüber hinaussind Bertrand und seine Arbeitsgruppe an der Rolle vonRNA Abbauwegen beim Alternativen Spleißen interessiert.Das Hauptthema von Karlas Arbeit ist die Organisationdes prä-mRNA Spleißens im Zellkern. Dazu hat sie einenneuen Ansatz entwickelt, den Aufbau und die Funktionvon essentiellen Spleißfaktoren zu lokalisieren. Auf deranderen Seite untersucht sie den Einfluss von snRNPsauf den Aufbau des Spleißosoms der zeitlich parallelzur Transkription stattfindet, und in weiterer Folgedessen Einfluss auf das Alternative Spleißen selbst.Tropomyosin und Actinin sind alternativ gespleißteGenprodukte, die spezifisch in der glatten Muskulaturgebildet werden. Chris’ Hauptinteresse besteht darin, diemolekularen Mechanismen des regulierten AlternativenSpleißens in diesen Modellsystemen zu verstehen. Er hatweiters eine quantitative Proteomtechnik entwickelt, um diefunktionellen Ziele von Spleißregulatoren festzulegen. BeimVersuch, den Kreislauf von Alternativen Spleißprogrammenzu definieren, kann dieser Ansatz andere globaleBetrachtungsweisen wie zum Beispiel Mikroarray ergänzen.34 | EURASNET Köpfe – Die Mitglieder des Netzwerkes EURASNET Köpfe – Die Mitglieder des Netzwerkes | 35


Hermonas Forschung bezieht sich auf die funktionelleRolle von Angstreaktionen als neuroprotektive Strategie.Genauer befasst sich ihre Arbeit mit, durch Stressinduzierter, transkriptioneller und post- transkriptionellerRegulation des Acetylcholinesterase (AChE)Gens und der Funktion von AChE Varianten. Die kausaleEinbindung von Cholinesterasen in die Entwicklung vonAlzheimer und Parkinson Syndromen und von neuromuskulärenErkrankungen, lässt den zukünftigen Bedarf anArzneimitteln, die spezifisch für AChE Varianten oderdie entsprechenden RNA Transkripte sind, vorausahnen.James’ Arbeit leistet einen Beitrag zum Verständnis derRegulation des Alternatives Spleißens auf der molekularenEbene. Sein Hauptinteresse gilt der Funktionvon SR Proteinen und hnRNP Proteinen, sowie andererRNA-bindender Proteine. Genauergesagt, hat er die RNA-Bindungsspezifität von verschiedenen SR Proteinen(9G8, SRp20 und SC35) analysiert und untersucht,wie diese Bindungsspezifität mit der Eigenschaften, alsSpleißaktivator zu wirken, im Zusammenhang steht. Imzweiten Teil seiner Arbeit beschäftigt sich James mit derFunktion des männlichen keimbahnspezifischen ProteinsRBMY während des Prozessierens von prä-mRNA.Die Art und Weise, wie das Alternative Spleißen innerhalbvon Zellen, in Geweben und schlussendlich auch imgesamten Organismus kontrolliert wird, ist nach wie vorschlecht untersucht. Die Arbeit von Anabellas Laborhat dazu beigetragen herauszufinden, wie extrazelluläreStimuli auf das Spleißmuster von verschiedenen RNAsübertragen werden. Sie fand Signalwege, die die Aktivitätvon Spleißfaktoren regulieren, und zwar als Antwort aufdie Interaktion zwischen einer Zelle und der extrazellulärenMatrix. Darüber hinaus fand Anabella heraus, dassein komplexes Netzwerk zwischen diesen Signalwegen dasSpleißmuster eines einzigen Gens bestimmt. VerschiedeneZelllinien, die bestimmte Merkmale einer Brustdrüsewährend der normalen Entwicklung oder Tumorbildungtragen, werden als Modellsysteme verwendet.Wie schafft es die Spleißmaschinerie, die 5’ und 3’Spleißstellen sowohl zu lokalisieren, als auch daranzu binden und das alles in exakt regulierter Art undWeise. Jamal verwendet Drosophila melanogaster alsModellsystem, um neue Spleißfaktoren und deren passendeInteraktionspartner zu identifizieren.Ein zweites Projekt beschäftigt sich mit der Entwicklungeines neuen Ansatzes bei dem spezifische Spleißfaktorengezielt von einem kleinen Molekül gebunden werden.Nach einem umfangreichen screening- Programmwurden verschiedene Moleküle gefunden, die einemauf das Spleißen stimulierenden Effekt von einzelnenMitgliedern der SR Proteinfamilie entgegenwirken können.Diese wurden selektiert und werden für weitereEntwicklungen im pathologischen Spleißen eingesetzt.Stefans Arbeit konzentriert sich auf die Regulation desAlternativen Spleißens durch externe Stimuli und kleineRNAs. Unter Verwendung eines Säugetier-Zellsystemskonnte er zeigen, dass die Auswahl der Spleißstelle durchreversible Phosphorylierungen beeinflusst wird. DieseErkenntnis erklärt die vielfach beobachteten Veränderungendes Alternativen Spleißens im Zuge der Entwicklung vonTumoren. Dazu wurden Datenbanken von Alternativen Exonsentwickelt, um einerseits die genomweite Bedeutung derselbenund andererseits ihre Regulation zu untersuchen.Spleißen kann, zusätzlich zum spleißosomalen Spleißen,ohne die Mitwirkung des Spleißosoms stattfinden. DieserVorgang wird dann nicht-spleißosomales Spleißen genannte.Die tRNA Endonuklease von Methanococcus Jannaschii kanndiese Reaktion durchführen: sie schneidet RNAs, die spezifischeSekundärstrukturen ausbilden, welche vom Enzymerkannt werden können. Die aus der Reaktion resultierendenProdukte werden anschließend durch eine endogene Ligasezusammengefügt. Glauco untersucht diese Endonuklaseund benutzt dafür Mauszellen und Mäuse als Systeme.36 | EURASNET Köpfe – Die Mitglieder des Netzwerkes EURASNET Köpfe – Die Mitglieder des Netzwerkes | 37


EURASNET OrganisationsteamHenning ist insbesondere an der Interaktion zwischenProteinen und RNA interessiert. Bislang unbekannte Proteine,die in direktem Kontakt mit RNA Molekülen stehen, sich alsoin einem Ribonukleoproteinpartikel (RNP) befinden, könnennach UV-crosslink von RNP Partikeln identifiziert werden.Für die Detektion hat Henning mit seinen Mitarbeitern neueund verbesserte, sowie sensitivere massenspektrometrischeMethoden (MALDI, ESI) entwickelt, die mit chromatographischenAnreicherungsverfahren kombiniert werden.Für diese Technik wird eine nur sehr geringe Menge anMaterial gebraucht, und macht somit die Analyse von RNPKomplexen möglich, die in nur geringen Dosen vorkommen.Reinhard ist der Scientific Network Managerdes Netzwerkes. Er koordiniert das zentraleControlling und ist die Anlaufstelle für Finanz- undRechtsfragen des Netzwerks. Weiters übernimmter die Koordination der Reporting-Aktivitäten und istdie Kontaktstelle zur Europäischen Kommission.Die molekularen Mechanismen der Regulation desAlternativen Spleißens sind das Hauptinteresse vonJuans Forschung. Er untersucht, wie das Sex-lethalProtein in Drosophila melanogaster in bestimmtenGenen die Entwicklung eines für Weibchen spezifischenMusters verursachen kann. Außerdem untersucht erdie Funktion von trans-aktiven Faktoren im AlternativenSpleißen und deren Verbindung zur Zelldifferenzierungsowie zum Verlauf bei Krebserkrankungen.Lorraine koordiniert als Integrationsmanagerin die täglichin Zusammenhang mit der EURASNET webpage anfallendenArbeiten. In enger Zusammenarbeit mit dem Team von SCRIist sie als Online- und Informationsservice Managerin tätigund sorgt für das reibungslose Funktionieren der homepage.Dominika ist als Webmaster für die Aktualisierungder Inhalte auf der EURASNET Webpage verantwortlich.Als Schnittstelle der Kommunikation istsie ist in ständigem Kontakt mit den EURASNETMitgliedern und füllt – in Zusammenarbeit mit ClaudiaPanuschka – die webpage mit aktuellen Beiträgen.Neue biologische Methoden und Computertechnologiengenerieren ein riesiges Datenvolumen. Um sinnvolleInformationen herausfiltern zu können und zu analysieren,werden neue Computerprogramme benötigt.Mihaelas Gruppe interessiert sich für die Regulationder Genexpression auf Ebene des mRNA Prozessierensund des Stoffwechsels von mRNA. Sie entwickelte einevollautomatische Software, um eine im Netz zugänglicheDatenbank zu erstellen, die Spleißformen – generiertaus allen Sequenzdatenbanken - darstellen kann.Bei näherer Untersuchung der abgeleiteten Spleißformenkonnte ihre Gruppe eine wichtige Komponente desSpleißens identifizieren. Derzeit entwickelt Mihaelaein Computertool für die Analyse von Sequenzdaten,mit dem Ziel, Bindungsstellen für RNA-bindendeProteine und kleine regulatorische RNAs zu finden.Als Public Scientific Officer ist es Claudias Aufgabe, dieErrungenschaften des EURASNET an die Öffentlichkeitzu tragen. Unter anderem ist sie für die Erstellungvon allgemein verständlichen Beiträgen für die homepagesowie das Verfassen von Pressemitteilungenüber neueste Ergebnisse, die von Wissenschafterndes EURASNET erzielt wurden, verantwortlich.38 | EURASNET Köpfe – Die Mitglieder des NetzwerkesNOE Organisationsteam | 39


Wissenschaftlicher SachverständigenratMichaels Arbeit dreht sich um zwei Themen: Prozessierenvon RNA und die Gene und Mechanismen, die dem24-Rhytmus zugrunde liegen. Die RNA Arbeit konzentriertsich auf nukleare Ereignisse, insbesondere Ereignisse, dieparallel zur Transkription stattfinden, wie zum Beispieldas Spleißen, die Ausbildung von RNP Komplexen undder Transport der RNA vom Zellkern ins Zytoplasma.Das post-transkriptionelle Stilllegen von Genen mit Hilfevon RNA Interferenz (RNAi) und micro RNAs (miRNA)hat in letzter Zeit immense Bedeutung erlangt. Es handeltsich dabei um wichtige Mechanismen der genetischenKontrolle. Witolds Arbeit beschäftigt sich mit demMechanismus und der biologischen Funktion von RNAi undmiRNAs und mit einer möglichen Rolle des RNAi Apparatesbeim transkriptionellen Stilllegen von Genen in Säugetieren.Robert konzentriert sich in seiner Forschung auf dieExpression und den Transport der RNA vom Ort derTranskription über den Export aus dem Zellkern bis hinzur Lokalisation im zytoplasmatischen Kompartiment:das Ende von Fibroblasten, die Knospenspitze derHefe oder den axonalen Fortsatz von Neuronen.Komplexe aus RNA und Protein (RNPs) sind für jedenSchritt der Genexpression wichtig. Die berühmtestenKomplexe dieser Art, die small nuclear RNPs, wirken beimSpleißen von prä-mRNA mit. Joans Hauptinteresse ist auf dieverschiedenen Rollen, die snRNPs während der Genexpressionin Zellen von Vertebraten spielen können, gerichtet.Menschliche und virale Gene sind komplexe genetischeInformationseinheiten, die straff reguliertwerden. In Marianos Arbeitsgruppe werden dreiAspekte dieser Regulation näher untersucht:• der Berührungspunkt zwischen des Synthese vonmRNAs in Säugern und den Schritten, die zurProzessierung dieser RNAs notwendig sind• das alternative Prozessieren dieser mRNAs, um multipleProteine aus nur einem Gen zu erhalten• die Regulation der Genexpression in denfür Menschen pathogenen Flaviviren.Die Forschung in James’ Labor dreht sich derzeit umdas Gebiet der microRNAs (miR), deren Biochemie undBiologie. Verschiedene miRNAs häufen sich in normalenZellen während der Embryonalentwicklung an, andere wiederumunter pathologischen Bedingungen, wie zum Beispielbei der Entwicklung von Tumoren. In James’ Labor werdenOozyten, Eier und Embryonen des Frosches Xenopuslaevis als Modellorganismen verwendet. Untersuchtwerden Schritte der Synthese, des Prozessierens unddes Transport der Vorläufer der miRNAs. Des weiterenwird der Einfluss der miRNAs auf die normaleEntwicklung in Froschembryonen genauer untersucht.Das Spleißen von RNA Molekülen ist für die Expressionder meisten Protein- kodierenden eukaryotischen Gene notwendig.Für viele dieser Gene, ist Alternatives Spleißender Kontrollmechanismus, der für die Produktion voneiner Vielzahl an Protein Isoformen sorgt. Adrian verwendetin seiner Forschungsarbeit biochemische undmolekularbiologische Ansätze, um die Mechanismenund die Regulation des Spleißens zu untersuchen.40 | Wissenschaftlicher SachverständigenratWissenschaftlicher Sachverständigenrat | 41


www.eurasnet.infoBesuchen Sie auch unsere Website undbleiben Sie auf dem aktuellen Stand.Neben der Teamvorstellung und Präsentation derEinrichtung erfahren Sie Neuigkeiten zu „AlternativeSplicing“ und näheres zu aktuellen Publikationen.PublicScientistsPublicationsIMPRESSUM© EURASNET, 2009Für den wissenschaftlichen Inhalt verantwortlich: Andrea BartaTexte: Claudia Panuschka unter Mitarbeit von dialoggentechnik, Brigitte Gschmeidler und Franziska WerbaGestaltung: Philipp Vavra (kursiv.at) | Illustration: Katharina Semrad | Druck: Friedrich Marcher44 | www.eurasnet.info

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