Mikro-RNAs in Pflanzen: Auch Regulatoren müssen reguliert werden

Das haben Tübinger Forscher des Max-Planck-Instituts für Entwicklungsbiologie in einer neuen Studie festgestellt. Sie identifizierten in der Ackerschmalwand, Arabidopsis thaliana, eine bisher unbekannte Komponente, die durch das gezielte Entfernen eines Phosphatrests die Herstellung von Mikro-RNAs steuert.

Das geht so schnell wie das Umlegen eines Schalters, so dass sich die Pflanze zügig an wechselnde Bedingungen anpassen kann. Entscheidend bei diesen Untersuchungen waren am Max-Planck-Institut entwickelte Verfahren, die es erlauben, induzierte Mutationen innerhalb weniger Tage durch Analyse des gesamten Pflanzengenoms aufzuspüren.

Es wirkt, als bremse sich die Zelle selbst aus: Beim Ablesen der DNA im Zellkern wird eine mobile Boten-RNA hergestellt, die ins Zellplasma exportiert wird und dort als Bauplan für die Herstellung von Proteinen dient. Gleichzeitig kann die Zelle Mikro-RNAs produzieren, die sich spezifisch an eine bestimmte Boten-RNA anlagern; sie hemmen die Proteinherstellung oder leiten sogar den Abbau der Boten-RNA ein. Doch wozu beginnt die Zelle einen aufwendigen Prozess, den sie gleich wieder stoppt?

„Die Zelle muss genau die Balance halten, sie muss ein Protein in ausreichender Menge herstellen, aber Überproduktion vermeiden. Um die richtige Menge in der richtigen Zeit und an der richtigen Stelle verfügbar zu haben, braucht sie teilweise gegeneinander arbeitende Kräfte“, sagt Pablo Manavella, Erstautor der Studie und Postdoktorand in der Abteilung von Direktor Detlef Weigel am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie. „Einmal aktiviert, ist die Boten-RNA sehr stabil. Wenn sie zur Regulierung schnell gestoppt werden muss, können starke Gegenspieler wie Mikro-RNAs die weiteren Prozesse aufhalten.“ Die Studie entstand in Zusammenarbeit mit Forschern vom Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen (ZMBP) und dem Proteom-Centrum der Universität Tübingen.

Die Bildung der Mikro-RNAs aus Vorläufern ist vor allem bei tierischen Zellen ausführlich untersucht worden. „In der Evolution haben sich Mikro-RNAs jedoch bei Pflanzen parallel unabhängig davon entwickelt. Daher war anzunehmen, dass sich die Abläufe unterscheiden“, sagt Pablo Manavella. Um die Synthese aktiver Mikro-RNAs in Zellen der Ackerschmalwand zu verfolgen, haben die Forscher methodisch zu einem Trick gegriffen. Sie entwickelten zunächst ein Reportersystem bestehend aus dem Protein Luciferase des Leuchtkäfers, das ein grünes Leuchten erzeugen kann, und einer künstlichen Mikro-RNA, die gezielt die Produktion der Luciferase hemmt.

Beide Komponenten wurden in den DNA-Bauplan der Pflanzenzellen eingeschleust, daher war zunächst kein Leuchten zu beobachten. In einem Massenverfahren lösten die Forscher dann in Tausenden von Pflanzen ungezielt Genveränderungen aus. Mit Hilfe einer speziellen, hochempfindlichen Kamera suchten sie die wenigen leuchtenden Pflanzen heraus. „In diesen mutanten Individuen musste irgendein Teil des Luciferase-Reportersystems geschädigt sein, sodass die Luciferase nicht mehr durch die künstliche Mikro-RNA gehemmt wurde“, sagt Pablo Manavella.

Um die Gene zu identifizieren, die für die ausbleibende Hemmung der Luciferase verantwortlich waren, wurde ein neues, am Max-Planck-Institut entwickeltes Verfahren angewandt, mit dem innerhalb von Tagen induzierte Mutationen im Erbgut aufgespürt werden können. „Vor einigen Jahren wäre das nicht denkbar gewesen. Heute sind Genomanalysen schnell und preisgünstig zu machen. Mit der kombinierten Untersuchung von Luciferase-Screeningtest und Genomanalyse konnten wir die Studiendauer von Jahren auf wenige Monate verkürzen“, erklärt Pablo Manavella. Die Forscher identifizierten in den mutanten Pflanzen die Phosphatase CPL1 als Schlüsselkomponente in der Verarbeitung der Mikro-RNAs. Dieses Protein moduliert die Mikro-RNA-Produktion, indem es Phosphatreste von HYL1 entfernt, das daraufhin die Fertigstellung der Mikro-RNAs bewirkt. Diese lagern sich an ihre jeweils entsprechende Boten-RNA an und unterbinden so die Herstellung des Proteins.

„Wir haben einen Faktor gefunden, der die Verfügbarkeit des Regulators reguliert“, fasst Pablo Manavella die Ergebnisse zusammen. Mikro-RNAs seien zwar nur ein Genregulationsmechanismus unter vielen, lieferten aber wie ein Schalter eine besonders schnelle und effiziente Antwort auf geänderte Anforderungen, zum Beispiel bei vielen Entwicklungsprozessen. Generell seien Mikro-RNAs bei Pflanzen sehr viel spezifischer als bei Tieren. „Pflanzen können in einer Stresssituation nicht weglaufen. Daher brauchen sie schnelle Regulationsmöglichkeiten, um richtig zu reagieren.“

Originalpublikation:
Pablo A. Manavella, Jörg Hagmann, Felix Ott, Sascha Laubinger, Mirita Franz, Boris Macek, Detlef Weigel: Fast-forward genetics identifies plant CPL phosphatases as regulators of miRNA processing factor HYL 1. Cell, Vol. 151, 4.
Ansprechpartner:
Pablo Manavella
Tel.: 07071 601- 1405
E-Mail: pablo.manavella(at)tuebingen.mpg.de
Detlef Weigel
Tel.: 07071 601- 1410
E-Mail: detlef.weigel(at)tuebingen.mpg.de