Kleine RNAs, große Wirkung
AFB I–IIIn einer menschlichen Zelllinie wurde das Gen für ein grün fluoreszierendes Protein (GFP) eingebaut; die Zellen leuchten grün. Verschiedene kurze RNA-Doppelstränge wurden in die Zellen eingebracht. Nach 48 Stunden wurden die Menge an GFP-mRNA und die Fluoreszenz gemessen (M1).
| Ansatz | eingebrachte RNA | GFP-mRNA in % | Fluoreszenz in % |
|---|---|---|---|
| 1 | keine | 100 | 100 |
| 2 | siRNA, vollständig komplementär zur GFP-mRNA | 8 | 10 |
| 3 | wie 2, aber zwei Fehlpaarungen in der Mitte des Leitstrangs | 85 | 40 |
| 4 | siRNA gegen ein Gen, das in den Zellen nicht vorkommt | 98 | 100 |
| 5 | wie 2, in Zellen ohne funktionsfähiges Argonaute | 96 | 93 |
Argonaute kann eine gebundene mRNA nur schneiden, wenn der Leitstrang im mittleren Bereich lückenlos mit ihr gepaart ist. Bei unvollständiger Paarung bleibt der RISC an der mRNA gebunden und behindert die Ribosomen.
- Beschreiben Sie den Ablauf der RNA-Interferenz von der doppelsträngigen RNA bis zum Abbau der mRNA.
- Werten Sie die Ansätze 1, 2 und 4 (M1) aus.
- Erklären Sie die Werte von Ansatz 3 mithilfe von M2.
- Deuten Sie das Ergebnis von Ansatz 5.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Doppelsträngige RNA wird im Cytoplasma vom Enzym Dicer in kurze Stücke von etwa 21–23 Basenpaaren geschnitten (siRNA). Eine siRNA wird in den Proteinkomplex RISC geladen; der Passagierstrang wird entfernt, der Leitstrang bleibt. Er paart über komplementäre Basen mit einer passenden mRNA. Das Enzym Argonaute im RISC schneidet die mRNA, deren Bruchstücke abgebaut werden. Das codierte Protein wird nicht mehr gebildet; der RISC kann weitere mRNAs schneiden.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Ansatz 1 ist die Bezugsgröße. Mit der passenden siRNA (Ansatz 2) sinken GFP-mRNA auf 8 % und Fluoreszenz auf 10 %: Die siRNA führt zum Abbau der GFP-mRNA, deshalb wird kaum GFP gebildet. Eine siRNA ohne Ziel-mRNA (Ansatz 4) verändert beide Werte nicht. Die Wirkung beruht also nicht auf dem Einbringen von RNA an sich, sondern ist sequenzspezifisch.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Bei Ansatz 3 bleibt die mRNA fast vollständig erhalten (85 %), die Fluoreszenz sinkt aber auf 40 %. Wegen der Fehlpaarungen in der Mitte ist der Leitstrang nur teilweise gepaart; Argonaute kann die mRNA nicht schneiden. Der RISC bleibt jedoch gebunden und behindert die Ribosomen, sodass weniger GFP translatiert wird. Die siRNA wirkt hier wie eine miRNA: Hemmung der Translation statt mRNA-Abbau.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Ohne funktionsfähiges Argonaute bleiben mRNA (96 %) und Fluoreszenz (93 %) trotz passender siRNA fast unverändert. Argonaute ist also für die Wirkung notwendig: Es ist das Enzym des RISC, das die mRNA schneidet; ohne es findet kein Abbau statt. Dass auch die Fluoreszenz kaum sinkt, zeigt, dass eine bloße Paarung von siRNA und mRNA ohne RISC-Funktion die Translation nicht wirksam hemmt.
Ein Medikament aus siRNA
AFB II–IIIBei der erblichen Transthyretin-Amyloidose (hATTR) trägt ein Allel des TTR-Gens eine Missense-Mutation. Das Protein Transthyretin (TTR) wird vor allem in der Leber gebildet und ins Blut abgegeben; normal transportiert es dort das Schilddrüsenhormon Thyroxin und über ein Bindeprotein Vitamin A. Das mutierte TTR zerfällt leicht und lagert sich fehlgefaltet als Fasern (Amyloid) in Nerven und Herz ab. Seit 2018 ist das siRNA-Medikament Patisiran zugelassen (M3–M5).
Patisiran ist eine siRNA, verpackt in Lipid-Nanopartikel, die nach einer Infusion vor allem von Leberzellen aufgenommen werden. Ihr Leitstrang ist komplementär zu einem Abschnitt im nicht translatierten Ende der TTR-mRNA, der in der mutierten und in der normalen mRNA identisch ist. Das Medikament wird alle drei Wochen gegeben; Patienten erhalten zusätzlich Vitamin A.
| Gruppe | Veränderung des Scores | Bedeutung |
|---|---|---|
| Placebo | +28 Punkte | deutliche Verschlechterung |
| Patisiran | −6 Punkte | leichte Verbesserung |
- Erläutern Sie den Wirkmechanismus von Patisiran (M3).
- Werten Sie M4 und M5 aus.
- Begründen Sie, warum Patisiran regelmäßig alle drei Wochen gegeben werden muss und warum Patienten zusätzlich Vitamin A erhalten.
- In einem Zeitungsartikel heißt es: „Patisiran heilt die erbliche Amyloidose.“ Beurteilen Sie diese Aussage.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Die Lipid-Nanopartikel bringen die siRNA in Leberzellen, wo TTR gebildet wird. Dort wird die siRNA in den RISC geladen; der Leitstrang paart komplementär mit der TTR-mRNA, Argonaute schneidet sie. Die mRNA wird abgebaut, bevor sie translatiert wird, und die Leber gibt weniger TTR ins Blut ab. Weil die Zielsequenz in beiden Allelen gleich ist, wird die Bildung von mutiertem und normalem TTR gesenkt. Die DNA der Patienten bleibt unverändert.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Unter Placebo bleibt TTR bei etwa 100 %. Unter Patisiran fällt es innerhalb der ersten Wochen auf etwa 25 % und bleibt über 18 Monate bei rund 20 % (Senkung um etwa 80 %). Gleichzeitig verschlechtert sich der Nervenschädigungs-Score unter Placebo um 28 Punkte, unter Patisiran verbessert er sich leicht um 6 Punkte. Die Senkung von TTR geht also mit einem Stillstand bzw. einer leichten Rückbildung der Nervenschäden einher: Es entsteht weniger neues Amyloid.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
RNAi verändert das Gen nicht: Die Leberzellen transkribieren weiterhin TTR-mRNA. Die siRNA bzw. beladene RISC-Komplexe werden mit der Zeit abgebaut und bei Zellteilungen verdünnt; ohne Nachschub stiege die TTR-Bildung wieder an. Deshalb muss regelmäßig nachdosiert werden. Da auch normales TTR stark gesenkt wird, fehlt ein Transportsystem für Vitamin A im Blut; die Zufuhr von Vitamin A gleicht diese Nebenwirkung aus.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Aussage trifft teilweise zu. Für: Patisiran senkt das schädliche Protein dauerhaft um etwa 80 % und bremst oder stoppt in der Studie die Nervenschädigung (M5); für viele Betroffene ist das ein großer Gewinn. Dagegen: Die Ursache, die Mutation im TTR-Gen, bleibt in allen Zellen bestehen; ohne regelmäßige Gabe setzt die TTR-Bildung wieder ein. Bereits vorhandene Ablagerungen werden nur begrenzt abgebaut, und die Mutation wird weiterhin mit 50 % Wahrscheinlichkeit an Kinder vererbt. Außerdem wird auch normales TTR gesenkt, was Nebenwirkungen erfordert (Vitamin-A-Gabe). Fazit: Patisiran ist eine wirksame, dauerhaft nötige Behandlung, aber keine Heilung im Sinne einer Beseitigung der Ursache.