Wenn Zellen DNA kopieren, um RNA-Transkripte zu produzieren, enthalten sie nur einige Teile des genetischen Materials, die als Exons bekannt sind, und werfen den Rest weg. Das resultierende Produkt ist ein voll ausgereiftes RNA-Molekül, das als Vorlage zum Aufbau eines Proteins verwendet werden kann.
Eines der Merkmale der Genexpression ist, dass eine Zelle durch einen Prozess, der als alternatives Spleißen bekannt ist, verschiedene Kombinationen von Exons auswählen kann, um verschiedene RNA-Transkripte herzustellen. Wie Filmproduzenten, die einen regulären und einen Director’s Cut eines Films erstellen, kann das Einschließen oder Ausschließen eines einzelnen Exons zur Produktion von Proteinen mit unterschiedlichen Funktionen führen.
Lebende Organismen nutzen alternatives Spleißen, um komplexe Funktionen zu ermöglichen. Unterschiedliche Zelltypen in unterschiedlichen Gewebearten produzieren unterschiedliche RNA-Transkripte desselben Gens. Das Verständnis, wie dieser Prozess funktioniert, liefert neue Hinweise auf die menschliche Entwicklung, Gesundheit und Krankheit und ebnet den Weg für neue diagnostische und therapeutische Ziele.
In den letzten Jahren haben Forscher Mikroexons entdeckt, eine Art proteinkodierende DNA-Sequenz. Mit einer Länge von nur drei bis 27 Nukleotiden sind Mikroexons viel kürzer als das durchschnittliche Exon, dessen durchschnittliche Größe etwa 150 Nukleotide beträgt. Die Existenz von Mikroexonen in vielen verschiedenen Arten, von Fliegen bis zu Säugetieren, legt nahe, dass sie eine wichtige Funktion haben, da sie durch natürliche Selektion seit Hunderten von Millionen Jahren konserviert wurden.
Beim Menschen kommen die meisten Mikroexons ausschließlich in Nervenzellen vor, wo die winzigen Genfragmente eine gewaltige Rolle spielen. Neuere Studien zeigen beispielsweise, dass sie für die Entwicklung von Photorezeptoren, einem spezialisierten Neuronentyp in der Netzhaut, von entscheidender Bedeutung sind. Die Forschung hat auch gezeigt, dass Veränderungen der Mikroexon-Aktivität in autistischen Gehirnen üblich sind, was darauf hindeutet, dass die winzigen Genfragmente eine wichtige Rolle bei den klinischen Merkmalen der Erkrankung spielen.
„Ein Mikroexon ist ein kurzes DNA-Fragment, das für einige Aminosäuren codiert, die Bausteine von Proteinen. Obwohl wir die genauen Wirkmechanismen nicht kennen, formt das Einschließen oder Ausschließen nur einer Handvoll dieser Aminosäuren während des Spleißens die Oberflächen von Proteinen auf hochpräzise Weise. Daher kann das Spleißen von Mikroexonen als ein Weg angesehen werden, um Mikrochirurgie an Proteinen im Nervensystem durchzuführen und zu verändern, wie sie mit anderen Molekülen in den hochspezialisierten Synapsen von Neuronen interagieren“, erklärt ICREA-Forschungsprofessor Dr. Manuel Irimia, ein Forscher am Center for Genomic Regulation (CRG), der die funktionelle Rolle von Mikroexons erforscht.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Irimia und ICREA-Forschungsprofessor Juan Valcárcel am CRG hat nun entdeckt, dass Mikroexone auch in einem anderen Zelltyp zu finden sind, der hochspezialisierte Funktionen in komplexen Geweben und Organen ausübt – den endokrinen Zellen in der Bauchspeicheldrüse. Das Spleißen von Mikroexonen ist in Pankreasinseln weit verbreitet, Geweben, die Betazellen beherbergen, die das Hormon Insulin produzieren. Die Ergebnisse werden heute in der Fachzeitschrift Nature Metabolism veröffentlicht.
Die Forscher stießen auf die Entdeckung, als sie die Rolle des alternativen Spleißens in der Biologie der Pankreasinseln und der Aufrechterhaltung des Blutzuckerspiegels untersuchten. Sie untersuchten RNA-Sequenzdaten aus verschiedenen Geweben von Menschen und Nagetieren und suchten insbesondere nach Exons, die in Pankreasinseln im Vergleich zu anderen Geweben unterschiedlich gespleißt sind.
Die Daten zeigten, dass die Hälfte der spezifisch in Pankreasinseln angereicherten Exons Mikroexons waren, von denen fast alle auch in neuronalen Zellen gefunden wurden. Der Befund steht im Einklang mit der Idee, dass sich Inselzellen der Bauchspeicheldrüse entwickelt haben, indem sie regulatorische Mechanismen von neuronalen Zellen übernommen haben.
Von den mehr als einhundert gefundenen Pankreas-Insel-Mikroexons befanden sich die meisten auf Genen, die für die Insulinsekretion entscheidend sind oder mit dem Typ-2-Diabetes-Risiko in Verbindung stehen. Die Forschung ergab auch, dass der Einschluss von Mikroexonen in RNA-Transkripte von SRRM3 kontrolliert wurde, einem Protein, das an RNA-Moleküle bindet und vom SRRM3-Gen kodiert wird. Die Autoren der Studie zeigten, dass hohe Blutzuckerspiegel sowohl die Expression von SRRM3 als auch den Einschluss von Mikroexons induzieren, was auf die Möglichkeit hinweist, dass die Regulation des Spleißens von Mikroexons eine Rolle bei der Aufrechterhaltung des Blutzuckerspiegels spielen könnte.
Um den Einfluss von Inselmikroexons besser zu verstehen, führten die Forscher verschiedene funktionelle Experimente mit im Labor gezüchteten menschlichen Betazellen sowie In-vivo- und Ex-vivo-Experimente mit Mäusen durch, denen das SRRM3-Gen fehlte.
Sie fanden heraus, dass der Abbau von SRRM3 oder die Unterdrückung einzelner Mikroexons zu einer beeinträchtigten Insulinsekretion in Betazellen führt. Bei Mäusen veränderten Veränderungen beim Spleißen von Mikroexonen die Form der Pankreasinseln, was sich letztendlich auf die Freisetzung von Insulin auswirkte.
Die Forscher taten sich mit der Forschungsgruppe von Dr. Jorge Ferrer, ebenfalls am CRG, zusammen, um genetische und RNA-Transkriptdaten von Diabetikern und Nicht-Diabetikern zu untersuchen und mögliche Verbindungen zwischen Mikroexonen und menschlichen Stoffwechselstörungen zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass genetische Varianten, die den Einschluss von Mikroexonen beeinflussen, mit Schwankungen des Nüchternblutzuckerspiegels und auch des Typ-2-Diabetes-Risikos verbunden sind. Sie fanden auch heraus, dass Patienten mit Typ-2-Diabetes weniger Mikroexons in ihren Pankreasinseln haben.
Die Ergebnisse der Studie ebnen den Weg zur Erforschung neuer therapeutischer Strategien zur Behandlung von Diabetes durch Modulation des Spleißens. „Hier zeigen wir, dass Inselmikroexons eine wichtige Rolle bei der Inselfunktion und der Glukosehomöostase spielen und möglicherweise zur Prädisposition für Typ-2-Diabetes beitragen. Aus diesem Grund könnten Mikroexons ideale therapeutische Ziele zur Behandlung von dysfunktionalen Betazellen bei Typ-2-Diabetes darstellen“, erklärt Dr Jonas Juan Mateu, Erstautor der Studie und Postdoktorand am CRG.
„Eine breite Palette von Spleißmodulatoren steht zur Behandlung einer Vielzahl menschlicher Krankheiten zur Verfügung. Als ich vor acht Jahren mit dem Studium des Spleißens in Pankreasinseln begann, wollte ich herausfinden, ob bestehende Spleißmodulatoren für Diabetes umfunktioniert werden können. Ich denke, wir sind es dem einen Schritt näher gekommen“, fügt Dr. Juan Mateu hinzu.
Während die Arbeit zeigt, dass Mikroexons wichtige neue Akteure in der Biologie der Pankreasinseln sind, sind weitere Arbeiten erforderlich, um ihre genaue Wirkung während der Entwicklung des Gewebes zu bestimmen. Den Forschern fehlt es auch an mechanistischen Erkenntnissen darüber, wie jedes einzelne Mikroexon die Proteinfunktion verändert und Schlüsselwege in Inselzellen beeinflusst. Dies zu verstehen, wird Aufschluss über ihre genaue physiologische Rolle bei Diabetes und anderen Stoffwechselerkrankungen geben, die mit Pankreasinseln in Verbindung stehen.
Die Studie trägt zu einer wachsenden Zahl von Beweisen bei, dass Mikroexons eine entscheidende Rolle bei der menschlichen Entwicklung, Gesundheit und Krankheit spielen. „Weniger als 10 Jahre, nachdem wir zum ersten Mal über ihre Existenz berichtet haben, sehen wir, wie Mikroexons Schlüsselelemente sind, die die Interaktion von Proteinen in Zellen mit Funktionen modifizieren, die ein hohes Maß an Spezialisierung erfordern, wie etwa die Freisetzung von Neurotransmittern oder Insulin und die Lichttransduktion “, erklärt Dr. Irimia.
„Folglich erwarten wir, dass Mutationen in Mikroexonen zu Krankheiten führen, deren genetische Ursachen wir noch nicht verstanden haben. Wir beginnen, bei Patienten mit neurologischen Entwicklungs- und Stoffwechselstörungen sowie Retinopathien nach diesen Mutationen zu suchen, um dann mögliche Interventionen zu ihrer Behandlung zu entwickeln.“ “, schließt er.
Die Ergebnisse wurden von einem Team unter der Leitung der ICREA-Forschungsprofessoren Manuel Irimia und Juan Valcárcel, Gruppenleiter in den Forschungsprogrammen für System- und Synthetische Biologie und Genombiologie am Center for Genomic Regulation, gemacht. Zu den Mitarbeitern gehört Dr. Jorge Ferrer, Koordinator des Programms Computational Biology and Health Genomics am CRG und Gruppenleiter bei CIBERDEM.
Die Ergebnisse wurden durch ein Gesundheitsforschungsstipendium der „La Caixa“-Stiftung, des European Research Council (ERC), der EU Marie Skłodowska-Curie European Postdoctoral Fellowships, der European Foundation for the Study of Diabetes (EFSD) und Lilly European Diabetes unterstützt Forschungsprogramm.