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RNA-Interferenz – Abschalten eines Gens 07:17 min

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Transkript RNA-Interferenz – Abschalten eines Gens

Hallo. Willkommen zum Video über die RNA-Interferenz. In diesem Video lernst du Folgendes: Als Erstes erfährst du, wie es zur Entdeckung der RNA-Interferenz kam. Du kannst danach die Frage beantworten: Was ist RNA-Interferenz? Und: Wozu dient RNA-Interferenz in den Zellen? Du erfährst, wieso die Entdeckung dieses Prozesses einen wichtigen Fortschritt der genetischen Forschung darstellte und welche Anwendungen die RNA-Interferenz in der genetischen Forschung findet. Um das Video optimal zu verstehen, solltest du dir über den Aufbau und die Funktion von DNA und RNA im Klaren sein. Außerdem solltest du die Proteinbiosynthese verstanden und verinnerlicht haben. Du solltest also wissen, wie ein Gen bei der Transkription abgelesen wird und wie bei der Translation die mRNA in ein Protein umgesetzt wird. Anfang der 90er-Jahre untersuchte ein Wissenschaftler-Team in einer Biotech-Firma Petunien. Das Ziel der Wissenschaftler war die Züchtung von Petunien mit einer besonders intensiven, dunkelvioletten Blütenfarbe. Um dies zu erreichen, setzten sie eine zusätzliche Kopie eines Gens ein, das zur Verstärkung der Bildung des Blütenfarbstoffes führen sollte. Verwundert mussten sie jedoch feststellen, dass genau das Gegenteil der erwarteten Ergebnisse aufgetreten ist. Die auf diese Weise genetisch manipulierten Petunien hatten Blüten mit weißen Stellen oder waren völlig schneeweiß. Was war geschehen? Anscheinend kam es zu einem Prozess, bei dem ein Gen abgeschaltet worden ist. Nämlich das Gen, das bei der Bildung des Blütenfarbstoffes beteiligt ist. Es hat beinahe ein Jahrzehnt gedauert, bis Forscher den Prozess ausfindig machen konnten, auf dem dieses Phänomen basiert: die RNA-Interferenz, auch RNAi abgekürzt. Es handelt sich um einen natürlichen Vorgang in eukaryotischen Zellen. Es kommt zum Abschalten eines Gens. Man spricht von einer Gen-Stilllegung oder auch „gene silencing“. Das Wort kommt vom englischen Wort „silent“ für Ruhe. Bei diesem Vorgang kommt es in der Zelle zur Verhinderung der Translation von doppelsträngiger RNA. Dieser Mechanismus hat für Zellen anscheinend eine wichtige Bedeutung und dient der Abwehr von Viren, die für die Zelle schädlich sind. Die doppelsträngige RNA, die von den Viren in die Zelle eingeschleust wird, wird hierbei abgebaut. Sehen wir uns den Prozess etwas näher an. Ein Enzym, das zu den Ribonukleasen gehört, auch „Häcksler“ genannt oder auf englisch „dicer“, zerschneidet doppelsträngige RNA in Stücke von etwa 21 Basenpaaren. Diese RNA-Fragmente werden dann von einem anderen Enzym, der RNA-Helikase, entwunden und in zwei Einzelstränge aufgetrennt. Als Nächstes kommt ein Enzymkomplex ins Spiel, das den Namen RISC trägt. Diese Abkürzung steht für „RNA-induced silencing complex“, auf deutsch: RNA-induzierter Stilllegungskomplex. Induzieren bedeutet in diesem Zusammenhang so viel wie: vermitteln, verursachen. Dieser Enzymkomplex belädt sich mit einem der RNA-Stücke. Mithilfe dieses RNA-Fragments erkennt er weitere, unerwünschte Fremd-RNA-Moleküle. Dies ist möglich, weil diese die komplementäre RNA-Sequenz aufweisen. Die entsprechende RNA wird zerschnitten. Auf diese Weise wird die Fremd-RNA an der Translation gehindert. Im Fall des Gens, das zur Verstärkung der Bildung des Blütenfarbstoffes beigesetzt worden ist, handelte es sich um ein Gen, das zum Teil eine spiegelverkehrte Sequenz aufwies. Deshalb wurde doppelsträngige RNA gebildet und durch den RNAi-Mechanismus inaktiviert. Bei diesem Prozess wird jedoch nicht nur Fremd-RNA beseitigt, sondern jede RNA, die komplementär zum RNA-Stück innerhalb des RISC-Enzymkomplexes ist. Somit wurde auch die RNA eliminiert, die die Pflanze selber hergestellt hat. Der violette Farbstoff konnte somit nicht mehr gebildet werden und die Blüten zeigten eine weiße Blütenfarbe. Die Entdeckung der RNA-Interferenz lieferte zum ersten Mal in der Geschichte der genetischen Forschung eine Methode zum gezielten Abschalten von Genen. Genauer gesagt wird, wie erwähnt, die Translation der entsprechenden transkribierten RNA verhindert. Der Prozess der RNA-Interferenz findet vielerlei Anwendung in der genetischen Forschung. Diese Methode kann sowohl in der Grundlagenforschung eingesetzt werden, als auch in der Erforschung vieler genetischer Krankheiten. Die Methode erlaubt auch die Herstellung von Modellorganismen mit bestimmten Gendefekten, an denen eine Krankheit erforscht werden kann. Wissenschaftler setzen viel Hoffnung in die Anwendung und Weiterentwicklung dieser Methode. Danke für deine Aufmerksamkeit. Tschüss, bis zum nächsten Video.

2 Kommentare
  1. Hallo,
    in der Regel ist die RNA einzelsträngig, sie kann aber auch als Doppelstrang vorliegen, sowie bei der RNA-Interferenz. :)
    LG

    Von Serpil Kilic, vor mehr als 3 Jahren
  2. doppelsträngige RNA ??? ich dachte RNA ist einzelsträngig.. ?? Hilfe ??

    Von Regischu, vor mehr als 3 Jahren

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RNA-Interferenz – Abschalten eines Gens Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video RNA-Interferenz – Abschalten eines Gens kannst du es wiederholen und üben.

  • Beschreibe die Entdeckung der RNA-Interferenz.

    Tipps

    RNA-Interferenz bezeichnet die gezielte Stilllegung eines Gens durch die Wechselwirkung von RNA-Molekülen.

    Die beteiligten Enzyme waren zu dem Zeitpunkt des Versuchs noch unbekannt.

    Lösung

    RNA-Interferenz bezeichnet die gezielte Abschaltung eines Gens durch die Zerstörung von doppelsträngigen RNAs. Die Entdeckung der RNA-Interferenz und ihrer Mechanismen ermöglichte einen tieferen Einblick in die Komplexität der Genetik. Man stellt fest, dass die simple Verdopplung des Blütenfarbstoffgens keine Steigerung der Farbintensität mit sich brachte, sondern einen Phänotypen ohne Blütenfarbstoff. Die RNA-Interferenz ist aber keinesfalls ein Mechanismus zur Verhinderung der Verdoppelung von DNA-Abschnitten, sondern zur Abwehr von Viren, die häufig aus RNA bestehen. Nur der Zufall brachte es mit sich, dass das verdoppelte Gen eine spiegelverkehrte Abfolge von Basen besaß, wodurch die beiden RNAs, die bei der Transkription der Gene entstanden, zueinander komplementär waren. Andernfalls hätte das Experiment vielleicht funktioniert.

  • Bestimme die Funktionsweise der RNA-Interferenz-Enzyme.

    Tipps

    Bei dem Mechanismus handelt es sich um ein auf RNA basiertes System.

    Zunächst muss die doppelsträngige RNA in Einzelstränge aufgetrennt werden.

    Lösung

    Die RNA-Interferenz ist ein Mechanismus bei eukaryotischen Lebewesen, um gezielt Gene abschalten zu können. Hierbei sind mehrere Mechanismen beteiligt.

    Das Dicer-Enzym zerschneidet die doppelsträngige RNA in kleinere Fragmente. Die Fragmente werden von der RNA-Helicase in Einzelstränge aufgetrennt. Die einzelsträngige RNA lagert sich an ein Risc an und Risc katalysiert dann das Zerschneiden aller zu „seinem" Fragment komplementären RNA-Stränge.

  • Entscheide, welche Prozesse direkt durch die RNA-Interferenz beeinflusst werden.

    Tipps

    Bei der Regulation der Genexpression kann in verschiedene Schritte der Proteinbiosynthese eingegriffen werden.

    GVOs ist die Bezeichnung fürGentechnisch veränderter Organismus.

    Bei der Entdeckung der RNA-Interferenz wurde die Petunie genetisch verändert.

    Die Abwehr von Bakterien wird nur indirekt und im weitesten Sinne von der RNA-Interferenz beeinflusst.

    Lösung
    • Die RNA-Interferenz ist ein wichtiger Zellmechanismus zur Abwehr von Viren und der Regulation von Genaktivität. Häufig führt sie zu einer Blockade der Translation, jedoch weisen neuere Forschungen darauf hin, dass die RNA-Interferenz ebenfalls den Verpackungsgrad der DNA und die Transkription beeinflusst.
    • Die RNA-Fragmente aus Viren-RNA oder microRNA aus dem zelleigenen Genom dienen als zielerkennende RNA, indem sie komplementäre RNA für den Abbau durch den angelagerten RISC-Komplex markieren.
    • Die RNA-Interferenz bewirkt eine Regulation der Proteinbiosynthese.
    • Die Abwehr von Bakterien wird nur indirekt und im weitesten Sinne von der RNA-Interferenz beeinflusst, obwohl die verschiedenen Abwehrmechanismen gegen fremdes Erbguts natürlich miteinander verzahnt sind.
    • GVOs zu Forschungszwecken können durch den RNA-Interferenz-Mechanismus erstellt werden, indem sich dieser zu Nutze gemacht wird, um die Expression bestimmter Gene zu verhindern. Dadurch ergibt sich oft ein bestimmtes Krankheitsbild: Wird zum Beispiel die Expression des Lactasegens (Das Enzym Lactase ist für die Milchzuckerverdauung mitverantwortlich) verhindert, bewirkt dies im entsprechenden Organismus eine Lactoseintoleranz. Mit diesem GVO kann dann nach Heilungs- und Therapiemöglichkeiten gesucht werden.
  • Bestimme den chronologischen Ablauf der Entdeckung der RNA-Interferenz.

    Tipps

    Die Helicase trennt kleinere Doppelstragfragmente.

    Die Petunienart exprimierte den violetten Blütenfarbstoff, bevor es genetisch verändert wurde.

    Lösung

    Die von den Wissenschaftlern gentechnisch veränderte Petunienart exprimierte ihren violetten Blütenfarbstoff, bevor sie verändert wurde ganz normal, und zeigte eine violette Blütenfärbung. Nach der Manipulation des Genoms war das Gen doppelt vorhanden. Durch die teilweise spiegelverkehrte Anordnung der Basen faltete sich die bei der Transkription entstandene RNA zu einem Doppelstrang um. Dieser wurde nun von den Mechanismen der RNA-Interferenz erfasst und zuerst von dem Dicer-Enzym in Fragmente zerteilt. Anschließend wurde die RNA in Einzelstränge aufgeteilt (Helicase), welche dann von Risc aufgenommen und alle zu „seinem" RNA-Strang komplementären RNA-Stränge zu weiteren Fragmenten zerschnitten wurden. Somit konnte die Translation der Blütenfarbstoff-RNA nicht stattfinden und die Blüte der Petunie zeigte keine Farbe mehr.

  • Bewerte die Aussagen zur RNA-Interferenz.

    Tipps

    Durch eine doppelsträngige RNA wird der Mechanismus der RNA-Interferenz ausgelöst. Aber wird durch ihn nur doppelsträngige RNA abgebaut?

    Lösung

    Bei der RNA-Interferenz wird in erster Linie doppelsträngige RNA abgebaut. RNA-Interferenz ist unter anderem ein Mechanismus zur gezielten Abschaltung eines Gens, indem eine bei der Transkription entstandene (fälschlicherweise doppelsträngige) RNA oder pathogene doppelsträngige RNA zerstört wird, weshalb sie nicht mehr translatiert werden kann. Dieser Vorgang wird auch als „Gene silencing" bezeichnet. Bei der Transkription wird normalerweise einzelsträngige RNA synthetisiert. Ist aber eine einzelsträngige RNA komplementär zu dem von dem Risc-Enzymkomplex aufgenommenen RNA-Fragment, wird auch diese von ihm zerstört. Der Mechanismus findet aber in dieser Form nicht statt, wenn zu Beginn keine doppelsträngige RNA vorliegt. Er bewirkt aber den Abbau von doppel- und einzelsträngiger RNA.

  • Schildere den Ablauf der Proteinbiosynthese.

    Tipps

    Ein zentrales Dogma der Biologie lautet: DNA zu RNA zu Protein.

    Damit die Translation erfolgen kann, muss die RNA aus dem Zellkern in das Cytoplasma gelangen.

    Lösung

    Ein Abschnitt der DNA, der für ein Merkmal codiert (Gen), wird bei der Transkription von der RNA-Polymerase abgelesen und nach dem Prinzip der komplementären Basenpaarung in RNA übersetzt. Nachdem die Introns bei dem Spleißen aus der RNA entfernt wurden und sie auf den Transport aus dem Zellkern heraus vorbereitet wurde (Prozessierung), nennt man diese RNA, die messenger RNA; kurz: mRNA.

    Sobald die mRNA aus dem Zellkern zu den Ribosomen transportiert wurde, beginnt die Translation. Hier werden mithilfe der Ribosomen und der tRNAs die Aminosäureketten synthetisiert. Dabei ist die Basensequenz der mRNA entscheidend für die Reihenfolge der Aminosäuren.