Zellen sind hochkomplexe Logistikzentren, deren Überleben von einer fehlerfreien Verteilung ihres Baumaterials abhängt. Damit Proteine exakt am benötigten Ort entstehen, braucht es den zielgerichteten Transport ihrer Bauanleitungen – der mRNA-Moleküle (messenger-Ribonukleinsäure).
In den fadenförmigen Hyphenzellen des pathogenen Pilzes Ustilago maydis erfolgt dies über das Prinzip des „Vesicle Hitchhiking“: Die mRNA-Moleküle agieren wie Anhalter, die auf kleine Transportbläschen (Endosomen) aufspringen. Dabei übernimmt das Protein Rrm4 die Rolle des Lademeisters. Es erkennt die mRNA-Pakete und verknüpft sie mit den Endosomen, die sich wie Züge auf den Schienen des Zellskeletts durch die Zelle bewegen.
Forschende der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) und der Universität Düsseldorf haben diesen Mechanismus jetzt im Detail untersucht. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachmagazin Nucleic Acids Research erschienen.
Das Forschungsteam stellte fest, dass Rrm4 insbesondere die Bauanleitungen für das Zellskelett selbst transportiert. Ist dieser Transport gestört, verliert der Pilz seine Orientierung: Statt geordneter Pilzfäden entstehen Fehlbildungen. Die Entschlüsselung des Anhalter-Codes legt offen, wie Zellen ihre interne Logistik präzise organisieren, um einen geordneten mRNA-Transport zu ermöglichen.
Den Code der Bindungsstellen knacken
„Uns gelang es mit einem innovativen vergleichenden Verfahren, die Interaktion zwischen dem Protein Rrm4 und der mRNA mit höchster Präzision zu analysieren. In den Datensätzen konnten wir über 50.000 Bindestellen identifizieren“, so Professorin Kathi Zarnack, Inhaberin des JMU-Lehrstuhls für Bioinformatik II und Studienleiterin zusammen mit Professor Michael Feldbrügge, Mikrobiologe an der Uni Düsseldorf.
Die entscheidende Herausforderung bestand darin, den funktionalen Code dieser Bindestellen zu entschlüsseln. Die Analyse der drei Bindungsdomänen des Proteins (RRM1, RRM2 und RRM3) offenbarte ein differenziertes System:
- RRM1 und RRM2 (Tandem-Domänen): Sie bilden den essenziellen Kern des Transportsystems. Bindestellen, die primär von diesen Domänen erkannt werden, sind für das zielgerichtete Wachstum der Pilzzelle wichtig.
- RRM3-Domäne: Sie erkennt das Motiv, das wie eine Postleitzahl auf der mRNA fungiert. Obwohl diese Domäne mit mehr als 10.000 identifizierten Stellen die meisten Bindungen eingeht, erwies sie sich für das grundlegende Wachstum als weitgehend entbehrlich.
- Kooperatives Zusammenspiel: RRM3 kann die beiden Tandem-Domänen bei der Erkennung wichtiger Ziele unterstützen, um die Bindung zu stabilisieren.
„Unsere Daten zeigen einen Paradigmenwechsel in der Sichtweise auf molekulare Bindungen auf“, erklärt die Bioinformatikerin. „Die im Experiment am stärksten sichtbaren Bindungen, wie jene der RRM3-Domäne, sind nicht zwangsläufig die funktional wichtigsten.“ Die Zelle nutze ein abgestuftes System, in dem RRM3 eher als unterstützendes Zubehör fungiert, während RRM1 und RRM2 die Erkennung der entscheidenden mRNAs übernehmen.
Evolutionäre Brücke: Von Pilzen zu menschlichen Nervenzellen
Die Bedeutung dieser Entdeckung reicht weit über die Pilzforschung hinaus, da die Evolution erfolgreiche zelluläre Logistiksysteme oft über Millionen von Jahren beibehält. Das Forschungsteam betrachtete darum auch ein System in menschlichen Nervenzellen, das für ähnliche Transportaufgaben zuständig ist. „Die Ähnlichkeit zwischen dem pilzlichen System und menschlichen Zellen ist verblüffend“, ergänzt Professor Julian König, Leiter des JMU-Lehrstuhls für Biochemie und RNA-Biologie.
Die Studie sei ein wesentlicher Fortschritt für die Entschlüsselung allgemein gültiger RNA-Bindungsdynamiken. „Das neue Wissen über die Unterscheidung zwischen funktionalen und rein begleitenden Bindestellen ermöglicht es künftig, die Beteiligung von RNA-bindenden Proteinen an einer Vielzahl menschlicher Erkrankungen zu entschlüsseln“, so Kathi Zarnack.
Originalpublikation
Dissecting the RNA-binding capacity of the multi-RRM protein Rrm4 essential for endosomal mRNA transport. Nina Kim Stoffel*, Srimeenakshi Sankaranarayanan*, Kira Müntjes, Anke Busch, Julian König, Kathi Zarnack**, Michael Feldbrügge**. Nucleic Acids Research. 1. April 2026, https://doi.org/10.1093/nar/gkag210
*Geteilte Autorenschaft, **geteilte Korrespondenz
Kontakt
Prof. Dr. Julian König, Leiter des Lehrstuhls für Biochemie und RNA-Biologie, T +49 931 31-84730, julian.koenig@uni-wuerzburg.de
Prof. Dr. Kathi Zarnack, Leiterin des Lehrstuhls für Bioinformatik II, T +49 931 31-81878, kathi.zarnack@uni-wuerzburg.de