Unser genetisches Material ist in der DNA (Desoxyribonukleinsäure) verschlüsselt. Die DNA ist berühmt. Aber Sie haben vielleicht auch schon von RNA (Ribonukleinsäure) gehört. Was ist RNA, und wozu ist sie gut?

Eigentlich eine ganze Menge. Es ist sogar möglich, dass frühes Leben RNA als genetisches Material nutzte und auch gefaltete RNAs als chemische Werkzeuge zum Überleben einsetzte. Dies wird als RNA-Welt-Hypothese bezeichnet.

RNA ist der DNA in vielerlei Hinsicht ähnlich. Sie ist eine lange Kette von Zuckern, die durch Phosphatgruppen miteinander verbunden sind. An jeden Zucker ist eine zyklische Base gebunden, und die Basen können sich mit passenden Partnern paaren, um eine Doppelhelix zu bilden.

Diese ähnelt der DNA, aber die Helix ist etwas verzerrt, und oft sind RNAs zu komplexen Strukturen gefaltet, die durch kurze Helices stabilisiert werden, die mit langen Einzelstrangschleifen durchsetzt sind.

Der wirklich wichtige Unterschied ist, dass RNA ein zusätzliches Sauerstoffatom hat. Dadurch ist RNA weniger stabil als DNA.

Man könnte meinen, dass Instabilität etwas Schlechtes ist, aber es gibt auch Vorteile. Organismen, die sich schnell verändern müssen, verwenden häufig RNA als genetisches Material. Viren wie Influenza und HIV wählen RNA anstelle der stabileren DNA, damit sie sich verändern können und dem Immunsystem ihrer Wirte einen Schritt voraus sind.

Viele Faktoren tragen zu den hohen Mutationsraten bei RNA-Viren bei, darunter die Instabilität der RNA und die schlechte Korrekturleseaktivität der Enzyme, die die RNA replizieren.

Messengerdienst

Neben ihrer Funktion als genetisches Material hat die RNA in praktisch allen Organismen eine weitere wichtige Aufgabe: Sie fungiert als Botenstoff, ein kurzlebiges Zwischenprodukt, das die in unseren Genen enthaltenen Informationen an den Rest der Zelle weitergibt.

Viele Gene müssen in Schüben aktiviert werden. Stellen Sie sich einen Fußballfan vor, der an einem entscheidenden Punkt im Spiel laut schreit – wir wollen nicht, dass die Nachricht ewig anhält.

Gene halten ein Leben lang, wie also können wir kurzlebige Nachrichten übermitteln?

Wir machen RNA-Kopien unserer DNA-Gene. Die Botschaften, oder mRNAs, spiegeln die Basenabfolge unserer DNA wider und wandern aus dem Zellkern (wo unsere DNA gespeichert ist) ins Zytoplasma, wo sie in Proteine übersetzt werden. Die Proteine übernehmen Aufgaben in der Zelle, während die instabilen mRNAs einfach zerfallen oder abgebaut werden.

Die RNA kann also als Botenstoff dafür sorgen, dass Gene in Proteine übersetzt werden – die Werkzeuge der Zelle, wie z. B. das Hämoglobin, das den Sauerstoff durch den Körper transportiert.

Aber wie läuft diese geheimnisvolle Übersetzung ab? Ist sie auf chemische Hilfsmittel wie Proteine angewiesen?

Sicherlich, aber es scheint, dass die Proteine nicht die Hauptakteure sind. Es ist eine bemerkenswerte Tatsache, dass die wirklich wichtigen Akteure bei der Auslösung der chemischen Reaktionen zur Herstellung von Proteinketten aus dem mRNA-Code nicht andere Proteine sind, sondern speziell gefaltete RNA-Moleküle – RNA-Enzyme oder Ribozyme.

Die Maschinerie zum Ablesen eines Proteins aus einer Boten-RNA ist in einem komplexen RNA-Enzym enthalten, und die funktionellen Teile sind RNA-Moleküle, die ribosomale RNAs oder rRNAs genannt werden.

Informationssicherung

Warum kann RNA chemische Reaktionen auslösen, aber DNA anscheinend nicht? Das liegt zum einen an dem zusätzlichen Sauerstoff und zum anderen an der besonderen Fähigkeit der RNA, sich zu komplexen Formen zu falten, um Werkzeuge zu bilden, die Dinge tun können, während die Doppelhelix regelmäßig und stabil ist. Die DNA-Doppelhelix hält Informationen sicher fest, tut aber sonst nicht viel.

1989 teilten sich Sidney Altman und Thomas Cech den Nobelpreis für Chemie für den Nachweis, dass RNAs chemische Reaktionen katalysieren können.

Man könnte sich fragen, wie eine Kette aus Zuckern und Basen wie die mRNA überhaupt als Vorlage für die Bildung einer Proteinkette dienen kann. Die Antwort ist kompliziert, aber sie beinhaltet einige clevere Adaptoren. Erstaunlicherweise bestehen diese Adaptoren ebenfalls aus RNA, den so genannten Transfer-RNAs oder tRNAs. Sie benutzen ihre zyklischen Basen, um sich mit ihren Spiegelbildern in der mRNA zu paaren und die richtigen Aminosäuren aneinanderzureihen, um das Protein herzustellen, während die rRNA die Reaktion auslöst, um die Verbindung herzustellen.

Die Erkenntnis, dass absolut essentielle Funktionen wie die Kodierung von Informationen, die Bereitstellung eines kurzlebigen Botenstoffs, um sie auszudrücken, und ihre Umwandlung in eine Reihe funktioneller Proteinwerkzeuge alle mit RNA zu tun haben, hat zu der Hypothese geführt, dass das frühe Leben aus RNA bestand.

Am Anfang hat die RNA möglicherweise alles gemacht. Aber dann übernahm die DNA allmählich die Rolle des stabileren genetischen Materials und die Proteine die Rolle der stabileren chemischen Werkzeuge. Und die RNA geriet allmählich in Vergessenheit, zumindest bis vor kurzem.

Zukunft der RNA

Im Jahr 1998 entdeckten die amerikanischen Biologen Andy Fire und Craig Mello die RNA-Hemmung – wie RNA Gene ausschalten kann.

Wir wissen jetzt, dass eine neue Klasse von kleinen hemmenden RNAs (siRNAs, die etwa 20 Reste lang sind) die Leistung von Boten-RNAs fein abstimmen. Wie bereits erwähnt, kann RNA Doppelstränge bilden – dies ermöglicht es siRNAs, Boten-RNAs zu binden und deren Funktion zu stören.

Diese interferierenden RNAs sind im Wesentlichen „digitale“ Inhibitoren, die Base für Base ein Spiegelbild der Boten-RNA sind. So ist es nun möglich, künstliche Hemmstoffe herzustellen. So ist eine neue Industrie entstanden, in der sich Forscher bemühen, Gene zu Versuchszwecken auszuschalten, und medizinische Forscher untersuchen, ob dies für Therapien genutzt werden kann, z. B. zum Ausschalten von Viren oder anderen schädlichen Genen.

Eine weitere interessante Entdeckung wurde gemacht: Forscher haben herausgefunden, dass zwar nur ein kleiner Teil unseres Genoms für Proteine kodiert, etwa 2 %, aber ein viel größerer Teil in RNA kopiert wird.

Die Funktion vieler dieser langen, nicht für Proteine kodierenden RNAs, der so genannten lncRNAs, wird noch untersucht, aber es scheint, dass einige chemische Reaktionen katalysieren und dass andere daran beteiligt sind, Gene an- oder abzuschalten, indem sie entweder Boten-RNAs binden oder direkt an die DNA-Gene, denen sie entsprechen.

Wenn die Welt mit RNA begann, dann ist es nicht wirklich überraschend, dass der Nachhall dieser RNA-Welt noch immer vorhanden ist und dass RNAs immer noch an wichtigen Lebensprozessen beteiligt sind und bei der Genregulierung von grundlegender Bedeutung sind.

Neue Klassen von RNA-Molekülen werden weiterhin entdeckt werden, und es ist wahrscheinlich, dass in Zukunft weitere Erkenntnisse über die Grundlagen der Biologie aus diesem fruchtbaren Boden hervorgehen werden.