Info

R-Loops

von Melanie Erzler (Laborjournal-Ausgabe 12, 2019)


Info

Info

Lernen Sie die neue Transferpette® S kennen und sichern Sie sich jetzt Ihr kostenloses Testgerät. mehr

(08.12.2019) Bei der Transkription von Genen können auch mal ungewöhnliche Verbindungen entstehen: Von Zeit zu Zeit kommt es vor, dass sich eine gerade entstehende RNA-Molekülkette zwischen die beiden DNA-Stränge drängt, sich mit seiner Muster-DNA verbindet und den gegenläufigen DNA-Strang ersetzt. Dieser Komplex allein heißt DNA-RNA-Hybrid – zählt man den verdrängten zweiten DNA-Strang dazu, spricht man von einem R-Loop.

Die dreisträngigen Strukturen erscheinen an vielen Stellen des Genoms; je nach Spezies liegt die Genomabdeckung bei fünf bis zehn Prozent. Dabei gilt: Je mehr Transkription, desto mehr R-Loops – sie entstehen also bevorzugt an häufig abgelesenen Genen und akkumulieren an Guanin- und Cytosin-reichen sowie CpG-Insel-haltigen Promotor- oder Terminator-Regionen.

Eine unliebsame Verbindung

Häufig scheint die Entstehung von R-Loops nicht geplant und vor allem auch nicht vorteilhaft: Dann etwa, wenn sie sich negativ auf Transkription, Replikation oder DNA-Reparatur auswirken und somit zur Gefahr für die Genomintegrität werden. Der entstandene DNA-Einzelstrangabschnitt beispielsweise ist ein leichtes Opfer für reaktive Sauerstoffspezies, Nukleasen oder Ähnliches. Außerdem kann die Verbindung von DNA- und RNA-Strang die Replikationsgabel behindern und dadurch zu Problemen bei der Erbgut-Vervielfältigung führen.

Info

Info

Die innovativen Pipettier­lösungen der Firma INTEGRA Biosciences sind der perfekte Partner für magne­tische Reinigungs­verfahren mehr

Daher gibt es verschiedene Strategien, die dreisträngige Gefahr vom Genom zu verbannen – durch Prävention, Beseitigung und DNA-Reparatur. Von vornherein verhindern kann die Zelle die Bildung der DNA-RNA-Hybride beispielsweise durch Proteine, die den RNA-Strang bedecken. Außerdem scheint die Topologie der doppelsträngigen DNA eine Rolle zu spielen. Die Topoisomerase I etwa entwirrt starke negative Verdrillungen der DNA (Supercoiling) hinter der RNA-Polymerase und schützt damit vor der Entstehung von R-Loops und verhindert die Chromatinbildung.

Konnten diese Maßnahmen die Entstehung unerwünschter R-Loops nicht unterbinden, können sie immer noch beseitigt werden. Ein wichtiger Helfer dabei ist die RNAse H, die RNA in RNA-DNA-Komplexen degradiert. Schonender gehen DNA-RNA-Helikasen vor: Sie entwinden den DNA-RNA-Hybrid, ohne die RNA dabei zu zerstören. Weitere Mitspieler scheinen zudem DNA-Reparaturmechanismen zu sein, wobei deren Rolle noch genauer auf den Grund gegangen werden muss.

Vermittler der Genregulation

Aber genug der negativen Dinge, denn R-Loops sind nicht nur schlecht und unerwünscht. Sie können auch unter physiologischen Umständen entstehen. Eine geplante und durchaus gewollte Beteiligung von R-Loops tritt auf beim Immunglobulin-Class-Switching (bei dem neue Antikörper-Isotope entstehen), der Replikation von mitochondrialer DNA, Plasmiden und Phagen sowie der CRISPR/Cas-9-Geneditierung. Zudem sind R-Loops involviert in die Transkriptionsinitiation und -terminierung sowie die Telomer-Homöostase. Gefördert wird die geplante Bildung von R-Loops durch verschiedene Proteine, welche die Bindung zwischen RNA und DNA unterstützen und deren Akkumulation begünstigen.

Info

Info

Pipettieren, lagern und zentrifugieren Sie Proben in unserem Spiel "Master of Volumes" so schnell wie möglich. mehr

Eine neue Funktion in der Genregulation deckte vor Kurzem ein deutsches Forscherteam auf: Die Gruppe um Khelifa Arab vom Institut für Molekularbiologie in Mainz sowie dem Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg konnte zeigen, dass GADD45A (Growth Arrest and DNA Damage Protein 45A) R-Loops bindet und dadurch die DNA-Demethylierung und Expression des Tumorsuppressors TCF21 ermöglicht (Nat. Genet., doi: 10.1038/s41588-018-0306-6). Gebildet wird der R-Loop direkt am TCF21-Promotor mit der langen nicht-codierenden RNA TARID (TCF21 Antisense RNA Inducing Promoter Demethylation). TARID wird in Antisense-Richtung und abwechselnd mit dem Tumorsuppressor TCF21 abgelesen. Der entstehende R-Loop bindet das Protein GADD45A, welches einen weiteren Mitspieler namens TET1 (Ten-eleven Translocation 1) rekrutiert und die Demethylierung sowie Expression von TCF21 vermittelt. Mithilfe von Genomsequenzierungen an embryonischen Stammzellen entdeckte das Team tausende R-Loop-abhängige TET1-Bindestellen an CpG-Inseln. Arab et al. kommen deshalb zum Schluss, dass GADD45A als epigenetischer R-Loop-Reader die Demethylierungs-Maschinerie zu Promotor-CpG-Inseln rekrutiert.

Von einer weiteren physiologischen Rolle von R-Loops in der Genexpressionsregulation berichtete dieses Jahr eine britische Arbeitsgruppe um Konstantina Skourti-Stathaki von der University of Edinburgh (Mol. Cell 73: 930-45). Die Polycomb-Komplexe PRC1 und PRC2 sind epigenetische Regulatoren, die in embryonalen Mausstammzellen die Expression CpG-reicher Regulator-Gene für die Entwicklung unterdrücken. Polycombs spielen einen wichtigen Part dabei, Genexpressionsmuster während der Differenzierung von embryonalen Stammzellen in der Maus zu stabilisieren. Es stellte sich heraus, dass R-Loops die Bindung von Polycomb an deren Zielgene erleichtern und stabilisieren – zumindest bei einem Teil dieser Gene. Dabei wirken sie synergistisch mit der katalytischen Einheit von PRC1 zusammen und nehmen Einfluss auf die RNA-Polymerase-Aktivität. R-Loops tragen somit ihren Teil zur Genrepression von Entwicklungs-Regulator-Genen durch Polycombs bei.

Info

Info

Die NEB Versandbox mit Stroh-Pads ist ressourcenschonend & hat die gleiche Isolierleistung wie Styroporboxen. mehr

Bei Krankheit irrelevant?

Die Forschung an R-Loops hat noch einiges vor sich: Als mögliche Erzeuger von Genominstabilität und Replikationsstress werden sie sowohl mit verschiedenen Tumor-, genetischen als auch mit neurodegenerativen Erkrankungen in Verbindung gebracht. Ein kausaler Zusammenhang mit Krankheiten muss aber erst noch hergestellt werden.



Letzte Änderungen: 08.12.2019

Info

Info

Bestellen Sie noch heute Ihr kostenfreies Exemplar. mehr

Diese Website benutzt Cookies. Wenn SIe unsere Website benutzen, stimmen SIe damit unserer Nutzung von Cookies zu. Zur ausführlichen Datenschutzinformation