ArchivDeutsches Ärzteblatt41/2006Rna-Interferenz: Wie man Gene „stumm“schaltet

MEDIZINREPORT

Rna-Interferenz: Wie man Gene „stumm“schaltet

Siegmund-Schultze, Nicola

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LNSLNS Zum Potenzial des molekularbiologischen Verfahrens, welches das Nobelkomitee in Stockholm im Bereich Medizin für preiswürdig erachtete

Das Glück des Nobelpreises für Medizin hat in diesem Jahr die beiden amerikanischen Biologen Prof. Craig Mello von der Massachusetts Medical School in Worcester (Massachusetts) und Prof. Andrew Fire von der School of Medicine der Stanford University (Kalifornien) getroffen. Sie haben entdeckt, dass doppelsträngige RNA-Moleküle die Aktivität von Genen spezifisch hemmen können und sich dieser Mechanismus gezielt zur Untersuchung von Genaktivitäten nutzen lässt. Sie haben außerdem gefunden, dass diese Form des Stummschaltens von Genen an das Funktionieren spezieller, für diesen Mechanismus erforderlicher Gene geknüpft ist.
Fire und Mello waren vom Nobelpreis nach eigenen Worten überrascht, weil ihre Entdeckung erst vor acht Jahren veröffentlicht worden ist (Nature 1998, 391: 806–10). Für Insider aber kommt die Wahl nicht überraschend. Bereits im April haben die beiden Laureaten den international renommierten Paul-Ehrlich-Ludwig-Darmstaedter-Preis erhalten, eine Auszeichnung, die häufig schon dem Nobelpreis voranging. Der Virologe Prof. Dr. med. Bernhard Fleckenstein (Universität Erlangen-Nürnberg) würdigte zu diesem Anlass die Arbeiten von Fire und Mello mit den Worten: „Die RNA-Interferenz ist eine vergleichsweise einfache und universelle Methode, um einzelne Gene abzuschalten, indem ihre Boten-RNA über einen komplexen Mechanismus mithilfe von doppelsträngigen, kleinen RNA-Molekülen gezielt abgebaut wird. Sie ist in den vergangenen Jahren zu einem unverzichtbaren Werkzeug der Grundlagenforschung geworden und hat bereits jetzt einen unschätzbaren Beitrag zum Verständnis molekularer und medizinisch relevanter Zusammenhänge geleistet.“
Bis in die 1990er-Jahre wurden RNA-Moleküle in erster Linie als Befehlsempfänger betrachtet, die strikt die Anweisung der DNA befolgen und nach deren Vorlage helfen, die genetische Information in den Bauplan der Eiweißmoleküle umzuwandeln. Im Mittelpunkt des Interesses stand die vergleichsweise langkettige Boten-RNA (m-RNA). Bei der genetischen Manipulation von Pflanzen in den 1990er-Jahren stellte sich jedoch heraus, dass RNA-Stückchen Gene für die Blütenfärbung unterdrücken können. Erst Andrew Fire und Craig Mello belegten 1998 in Versuchen mit dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans, dass die Injektion von Doppelstrang-RNA-Molekülen, die jeweils spezifisch für verschiedene Gene waren, die Funktion dieser Gene unterdrückte, und zwar deutlich wirkungsvoller als genspezifische Einzelstrang-RNA.
Bei dieser Entdeckung hat das Glück etwas mitgeholfen. Denn Craig und Mello hatten ihr Experiment mit doppelsträngiger RNA nur zur Kontrolle für ihre Versuche mit Einzelstrang-RNA mitlaufen lassen. Als sie aber die unerwarteten Effekte des Kontrollexperiments entdeckten, gingen sie ihnen systematisch auf den Grund – wie einst Alexander Fleming dem fehlenden Wachstum von Staphylokokken um den Pilz Penicillium herum, der sich auf einer vergessenen Petrischale angesiedelt hatte.
Doppelsträngige RNA unterdrückt die Genfunktion während oder nach der Transkription mithilfe einer komplizierten intrazellulären Maschinerie: Zunächst zerhäckselt ein Enzym namens Dicer größere RNA-Moleküle in kleine. Anschließend werden die kurzen Doppelstränge entwunden und lagern sich mit Proteinen zu einem RNA-induced silencing complex (RISC) zusammen. Dieser Komplex fängt Boten-RNA mit passender Bausteinfolge und spaltet ihn. Auch künstlich in menschliche Zellen eingebrachte RNA-Moleküle können die Synthese bestimmter Proteine auf diese Weise spezifisch hemmen. „Hierin liegt das große Potenzial der RNA-Interferenz für die medizinische Anwendung“, sagt Fleckenstein.
Thomas Tuschl verhalf der Methode zum Durchbruch
Aber in Säugetierzellen funktionierte die Methode zunächst nicht. Erst der deutsche Biochemiker Dr. Thomas Tuschl, damals am Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie in Göttingen, heute am Howard-Hughes Medical Institute an der Rockefeller University in New York, fand den Zugang zu Säugerzellen und ebnete damit der Anwendung der Methode für Untersuchungen am Menschen den Weg: Er fand heraus, dass kürzere RNA-Sequenzen als die bisher verwendeten notwendig waren, um Gene in Säugerzellen gezielt stillzulegen; er nannte die 21 bis 22 Basenpaare langen Fragmente small interfering RNA oder siRNA (Nature 2001; 411: 494–98).
„Mit dieser Publikation war klar, dass die RNA-Interferenz als universelles Werkzeug zur funktionellen Genanalyse auch in Säugerzellen genutzt werden kann“, sagt Prof. Matthias Eder von der Medizinischen Hochschule Hannover. Die Arbeitsgruppe um Eder und Prof. Michaela Scherr erforscht, wie sich bei bestimmten Leukämieformen die Funktion des Fusions-Gens bcr-abl ausschalten lässt mit dem Ziel, neue therapeutische Zielstrukturen zu finden und Resistenzen gegen Medikamente wie den Tyrosinkinase-Inhibitor Imatinib zu überwinden. Weil Tuschl der Methode den Durchbruch für die Nutzung in der grundlagen- und anwendungsorientierten Forschung beim Menschen verschaffte, galt er ebenfalls als Kandidat für den Medizin-Nobelpreis.
„Nach der Verkündung der Preisträger stand das Telefon in meinem Labor nicht mehr still“, sagte Tuschl dem DÄ. Aber er klingt versöhnlich: „Ich habe mit meinen Arbeiten erst ein Jahr nach der wegweisenden Publikation von Mello und Fire begonnen, und zwar aufbauend auf deren Forschungsergebnisse. Die Entscheidung des Nobelpreiskomitees ist nachvollziehbar.“ Vielleicht wird es in Stockholm nicht die letzte gewesen sein, die das Gebiet der RNA-Interferenz würdigt.
Denn Tuschls Veröffentlichung in Nature 2001 hat einen regelrechten Forscher-Boom ausgelöst. „Der Vorteil der Methode ist, dass man jetzt nicht mehr transgene Tiere oder Knock-out-Mäuse braucht, um die Bedeutung einer bestimmten Genfunktion zu erforschen, sondern mit viel geringerem Aufwand in vivo untersuchen kann, was passiert, wenn die Expression eines bestimmten Gens auf wenige Prozent seines normalen Levels reduziert wird“, erläuterte Tuschl. Diese vergleichsweise unaufwendige Technik habe auch Pharmafirmen motiviert, in diese Forschung zu investieren.
Die Antisense-Technik, die mit der RNA-Interferenz verwandt ist, aber darauf basiert, dass ein Stück einzelsträngiger Nukleinsäure gezielt an ein Stück Messenger-RNA bindet und damit die Proteinsynthese hemmt, hat es bereits in die klinische Anwendung geschafft. So ist 1998 in den USA und 1999 in Europa ein auf diesem Prinzip basierender Wirkstoff (Fomivirsen) zur lokalen Therapie einer durch Zytomegalie-Viren verursachten Retinitis zugelassen, in Deutschland aber aus kommerziellen Gründen 2002 wieder vom Markt genommen worden. Zahlreiche andere Arzneimittel auf Antisense-Basis sind in der klinischen Prüfung.
Medikamente, die auf RNA-Interferenz beruhen, haben es bislang noch nicht bis zur Zulassung geschafft, sind aber in klinischer Prüfung, zum Beispiel für die Therapie der altersabhängigen Makula-Degeneration. Bei der Jahrestagung der Oligonucleotide Therapeutics Society in New York (19. bis 21. Oktober) werden Wissenschaftler die Daten klinischer Prüfungen vorstellen, darunter eine Phase-I-Studie zur
Behandlung von Infektionen mit dem Respiratory-Syncytial-Virus (RSV).
Auch an siRNA-Medikamenten gegen HIV, Hepatitis C und Poliomyelitis wird geforscht. Tuschl sieht gute Chancen, dass sich einmal Stoffwechselerkrankungen wie Beispielsweise Hyperlipidämie auf der Basis von RNA-Interferenz werden behandeln lassen, wie er dem DÄ sagte. Dabei wird die Aktivität des Apolipoprotein-B-Gens durch Injektion chemisch stabilisierter siRNA herunterreguliert. Auch neue Strategien gegen Krebserkrankungen sollen auf dem Prinzip der RNA-Interferenz entwickelt werden. Die Nobelpreisträger selbst warnen vor überhöhten Erwartungen. „Trotz der intensiven medizinischen Forschung auf diesem Gebiet können wir heute nicht vorhersagen, ob sich jemals eine Krankheit mit einer auf RNA-Interferenz basierenden Methode wird heilen lassen“, sagte Fire.
EU fördert Konsortium
Denn noch ist unklar, wie die RNA-Moleküle an den Ort des Geschehens gebracht und vor dem Abbau bewahrt werden können. Auch habe sich herausgestellt, dass die Moleküle nicht immer so spezifisch wirkten wie erwartet und die Aktivität anderer Gene hemmen sowie unspezifisch die Produktion von Interferon stimulieren könnten, sagte Dr. Simone Heß vom Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie in Berlin. Heß ist Projektmanagerin des RIGHT-Konsortiums (RNA Interference Technology as Human Therapeutic Tool), das – mit EU-Geldern gefördert – Forschungen zur klinischen Anwendbarkeit der RNA-Interferenz koordiniert. 22 Institute arbeiten bei RIGHT mit, darunter sechs deutsche. „Was die klinische Anwendbarkeit der Methode in Zukunft anbelangt“, sagte Heß, „sind wir sehr optimistisch.“
Dr. rer. nat. Nicola Siegmund-Schultze
GRAFIK Quelle: Nature
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GRAFIK Quelle: Nature

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