RNA-Interferenz und ASOs
Kurze nicht-kodierende RNAs können so gestaltet werden, dass sie mRNAs spezifisch binden und dadurch die Proteinherstellung beeinflussen. Mit dieser Methode kann die Menge bestimmter Proteine in der Zelle reduziert oder erhöht werden. Es ist sogar möglich, die Zusammensetzung von Proteinen zu beeinflussen. Solche RNAs werden bereits als Medikamente eingesetzt.
RNAs aus dieser Gruppe dienen nicht direkt der Produktion von Proteinen, können aber deren Erzeugung hemmen oder fördern. Zwei Entdeckungen spielten dabei eine entscheidende Rolle:
Zuerst stellten 1978 Forschende ein Stück DNA her, das komplementär zu einer kurzen Sequenz eines viralen Gens war. Als sie das nachgebaute Stück in eine Zellkultur gaben, stellten sie fest, dass sich das Virus in den Zellen nicht mehr verbreiten konnte. Das komplementäre Stück hatte sich an die Gensequenz des Virus geheftet und damit dessen Replikation unterbunden.
Später im Jahr 1998 veröffentlichten die beiden Mediziner Craig Mellow und Andrew Fire einen Artikel über ihre Forschungsarbeit an einem Fadenwurm. Sie zeigten, wie sich ein RNA-Molekül an die mRNA bindet, das komplementär zu dieser ist. Die gebundene mRNA wird dann von der Zelle zerstört. Die Arbeit trug den beiden Forschern 2006 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin ein. In der weiteren Erforschung dieses als RNA-Interferenz bezeichneten Phänomens stellte sich heraus, dass viele weitere Organismen solche kurzen RNAs herstellen, die bei der Abwehr von Viren, bei der Genregulation und beim Schutz des Genoms eine wichtige Rolle spielen. Die beiden häufigsten Typen heissen small interfering RNA (siRNA) und microRNA (miRNA).
Die Funktionsweise beider Entdeckungen sind sich zwar auf den ersten Blick ähnlich, aber ihnen liegen unterschiedliche Mechanismen zu Grunde: Im ersten Fall bindet die kurze einzelsträngige RNA einen komplementären Abschnitt der mRNA. Dort kann es den Translationsprozess blockieren und zum Abbau der mRNA führen, oder es kann die Herstellung von Proteinvarianten bewirken. Die kurzen künstlichen RNAs, die diesen Mechanismus auslösen, werden Antisense-Oligonukleotide (ASOs) genannt. Bei der RNA-Interferenz hingegen werden doppelsträngige RNAs durch Enzyme zerkleinert und in einen RNA-Proteinkomplex (RISC) eingebunden. Dieser Komplex bindet an einen komplementären Abschnitt einer mRNA und blockiert die Translation oder spaltet die mRNA.
Nicht-kodierende RNA kann medizinisch genutzt werden, um die Produktion einer Ziel-RNA zu regulieren. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, die Menge eines krank machenden Proteins zu senken. Umgekehrt lässt sich Erzeugung von Proteinen erhöhen, die eine Krankheit verhindern, indem schädliche RNA gebunden wird, welche die Herstellung der entsprechenden Eiweisse hemmt. Auch ist es möglich, die Zusammensetzung des Proteins zu beeinflussen.
Die Bildung von Proteinen reduzieren: Patisiran und Inotersen
Die ATTR-Amyloidose gehört zu den seltenen Krankheiten und betrifft weltweit ungefähr 5000 bis 10'000 Menschen. Diese Krankheit entsteht durch einen Defekt des Proteins Transthyretin (TTR). TTR wird in der Leber gebildet und wirkt im Blutserum am Transport eines Schilddrüsenhormons mit. Bei Menschen, die an ATTR-Amyloidose leiden, ballt sich das TTR-Eiweiss zu unlöslichen Klumpen zusammen. Diese können zu Versteifung der Herzmuskulatur und zum Verlust der Nierenfunktion führen, die Sehfähigkeit beeinträchtigen und im Gehirn Störungen bis hin zu Demenz hervorrufen. Das 2018 auf den Markt gekommene Medikament Patisiran bekämpft dieses Leiden. Es nutzt die RNA-Interferenz, indem es in der Leber die TTR-mRNA abbaut und dadurch die Bildung des TTR-Proteins reduziert. Der Name des Medikaments verweist mit der Endsilbe «-siran» auf die dabei eingesetzte «small interfering RNA».
Ein anderes Medikament gegen die ATTR-Amyloidose heisst Inotersen. Im Unterschied zur siRNA Patisiran ist Inotersen ein ASO. Als Besonderheit weist es zwischen den RNA-Abschnitten eine DNA-Sequenz auf, die genau komplementär zu einem Abschnitt der mRNA ist, die für das TTR-Protein codiert. Die künstliche DNA-Sequenz bindet somit gezielt an die TTR-mRNA in den Transthyretin-produzierenden Zellen der Leber. Dadurch wird die Bildung des TTR-Proteins um mehr als die Hälfte gesenkt.
Defekte Proteine neu zusammensetzen: Nusinersen
Eine weiteres ASO – Nusinersen – wurde 2017 als Therapeutikum zur Behandlung von spinaler Muskelatrophie zugelassen. An spinaler Muskelatrophie Erkrankte bilden nicht genug SMN-Proteine. Die Abkürzung steht für Survival of Motor Neuron, und wie der Name verrät, ist das Eiweiss für jene Nervenzellen überlebenswichtig, die das Gehen, Sitzen, aber auch das Schlucken und Atmen ermöglichen. In ihrer schwersten Form führt die Krankheit zum Tod. Herabgesetzt wird die SMN-Konzentration durch einen Fehler bei der Übersetzung des SMN-Gens in ein Protein: Gene werden bei der Genexpression zuerst in eine Vorstufe der mRNA, die prä-mRNA, umgewandelt. In einem Prozess, der Spleissen genannt wird, werden gewisse Abschnitte aus der prä-mRNA entfernt, sodass daraus die mRNA entsteht. Je nachdem, welche Abschnitte entfernt werden, wird am Ende des Prozesses ein anderes Protein hergestellt (Alternatives Spleissen) (siehe die Abbildung unten). Beim Spleissen der Prä-mRNA des SMN-Gens geht ein wichtiger Abschnitt verloren, weshalb überwiegend ein verkürztes und defektes Protein produziert wird (Protein 2 in der Abbildung unten). Die Bindung von Nusinersen an die Prä-mRNA verhindert das Entfernen dieses Exons, wodurch mehr des funktionierenden SMN-Proteins (Protein 1 in der Abbildung unten) entsteht.
Die Bildung von Proteinen ankurbeln: RNA-Aktivierung
Als Hoffnungsträger in der Krebstherapie werden auch sogenannte small activating RNA (zu Deutsch: kurze aktivierende RNA ) gehandelt. Wie bei der RNA-Interferenz bindet sich auch hier eine kurze nicht-kodierende RNA in einem RNA-Protein-Komplex an die mRNA. Sie reduziert die Expression des Gens aber nicht, sondern kurbelt sie im Gegenteil an. So kann zum Beispiel die Menge eines Proteins erhöht werden, welches das Krebswachstum hemmt. Das Verfahren wurde bereits im Tiermodell getestet und zeigte, dass es bei verschiedenen Krebsarten das Wachstum des Tumors deutlich bremsen konnte.