Sie sind klein, häufig von grün-blauer Farbe und nützlich: Cyanobakterien oder Blaualgen betreiben Photosynthese, das heißt sie entnehmen der Atmosphäre den Klimakiller CO2 und stellen daraus organische Stoffe her. Als Beiprodukt entsteht Sauerstoff für die Atmung des Menschen. Einem Forscherteam ist nun im Rahmen der Analyse des Bakterienerbguts eine überraschende Entdeckung gelungen: Die Wissenschaftler haben einen molekularen Schalter entdeckt, durch den ein wichtiger Teil des Energiestoffwechsels der Zelle gesteuert wird.
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Wie bei allen Lebewesen besteht das genetische Material der Cyanobakterien, die in Flüssen, Seen, Pfützen, dem Ozean, aber auch in Wüsten und arktischen Regionen zu finden sind, aus DNA, organisiert in Gestalt der so genannten Doppelhelix. Die Gene, die Träger der Erbanlagen, finden sich auf beiden Strängen dieser Doppelhelix. Normalerweise liegen diese niemals direkt einander gegenüber, sondern immer nur versetzt oder bestenfalls ein sehr kurzes Stück überlappend.
Verschachteltes Gen gefunden
Das deutsche Forschterteam um Professor Wolfgang Hess von der Universität Freiburg und Annegret Wilde von der Humboldt-Universität Berlin hat nun in dem Cyanobakterium Synechocystis ein kleines Gen, das einem anderen, größeren Gen direkt gegenüber liegt, sozusagen ein verschachteltes Gen, oder, wie es der Biologe sagen würde, ein Gen umgekehrter Orientierung auf dem Gegenstrang der DNA.
Doch es handelt sich bei dem größeren Gen nicht um irgendein Gen. Das Gen-Produkt spielt eine wichtige Rolle in der Photosynthese unter Stressbedingungen. Es wird nur aktiviert wenn das Cyanobakterium unter Stress steht, zum Beispiel an Eisenmangel leidet.
Genaktivierung bedeutet, dass das Gen abgelesen wird, dabei entsteht eine Boten-RNA, die an die so genannten Ribosomen, die Proteinfabriken der Zelle weitergeleitet wird. Nun wird RNA aber auch vom gegenüberliegenden kleineren Gen umgekehrter Orientierung gebildet. Deshalb war die nächste Frage, was passiert, wenn diese beiden Moleküle in der Zelle zusammentreffen?
Hess und Wilde haben genau diesen Fall des Zusammentreffens beider RNA-Moleküle untersucht. Da diese vom selben Abschnitt der DNA-Doppelhelix stammen, bilden auch diese RNAs eine Doppelstrangstruktur aus. Dieses Zusammentreffen wirkt jedoch destabilisierend, im Ergebnis kommt es zu einem zielgenauen Abbau beider RNA-Moleküle. Dieser Abbau verhindert eine vorzeitige Aktivierung des größeren Photosynthesegens.
Molekularer Schalter steuert Energiestoffwechsel
Da dessen Produkt sowohl direkt an der Sammlung der Sonnenergie als auch am Schutz vor zuviel Licht beteiligt ist, kann durch eine sehr präzise Steuerung sichergestellt werden, dass die Zelle immer nur so viel Energie erhält, wie sie gerade benötigt. Damit wurde das kleine Gen als Ursprung einer regulatorischen RNA charakterisiert.
Beide RNAs zusammen stellen so etwas wie einen molekularen Schalter dar, durch den ein wichtiger Teil des Energiestoffwechsels der Zelle gesteuert wird. Solche Schalter kannte man bisher noch nicht. Es ist sehr wahrscheinlich, dass sie nicht nur in Cyanobakterien, sondern auch in vielen anderen Organismen vorkommen. Die Wissenschaftler kennen bereits Hunderte von regulatorischen RNA-Molekülen, die jedoch nicht vom DNA-Gegenstrang anderer Gene stammen.
Die Wissenschaftler berichten über ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS).
(idw – Universität Freiburg im Breisgau, 02.05.2006 – DLO)
