Position-resolved k-mer analysis of mature microRNAs reveal widespread CG and UA depletion across taxa

In jeder lebenden Zelle hält ein riesiges Netzwerk winziger molekularer Anweisungen den Apparat des Lebens reibungslos am Laufen. Zu den wichtigsten dieser Anweisungen gehören kurze RNA-Stränge, die microRNAs genannt werden. Diese Moleküle fungieren als präzise Regulatoren, die spezifische passende Sequenzen in anderen genetischen Botschaften finden und diese ausschalten, um sicherzustellen, dass die Zelle die richtigen Proteine zur richtigen Zeit produziert. Damit eine microRNA funktionieren kann, müssen ihre Form und ihre chemische Zusammensetzung exakt sein. Wissenschaftler wissen seit langem, dass die allerersten Buchstaben einer microRNA-Sequenz entscheidend sind und wie ein Schlüssel wirken, der in ein spezifisches Schloss passt, um den Prozess zu starten. Die Regeln, die den Rest des Moleküls bestimmen – die Buchstaben, die auf diese ersten wenigen folgen –, blieben jedoch ein Rätsel. Folgen die Buchstaben, die in diesen winzigen Strängen nebeneinander liegen, einem verborgenen Muster oder sind sie zufällig angeordnet?

Ein Forschungsteam der Bharathidasan University in Indien hat nun die gesamte Landschaft dieser winzigen Moleküle kartiert, um diese Frage zu beantworten. Sie betrachteten nicht nur eine Handvoll Beispiele, sondern untersuchten fast 49.000 Datensätze reifer microRNAs aus 271 verschiedenen Organismen, die von Menschen und anderen Säugetieren bis hin zu Insekten, Fischen und Pflanzen reichen. Durch die Analyse dieser massiven Sammlung entdeckten sie, dass die Anordnung der Buchstaben in diesen Molekülen alles andere als zufällig ist. Es gibt eine weit verbreitete, konsistente Regel, die regelt, wie diese kurzen genetischen Stränge aufgebaut sind – eine Regel, die im gesamten Stammbaum des Lebens Bestand hat.

Die Forscher konzentrierten sich darauf, wie häufig bestimmte Buchstabenpaare nebeneinander auftreten. In der Sprache der Genetik werden diese Paare Dinukleotide genannt. Als sie jedes mögliche Paar über die Millionen der untersuchten Sequenzen hinweg zählten, stachen zwei spezifische Paare durch ihr Fehlen hervor. Die Kombination der Buchstaben C und G sowie die Kombination der Buchstaben U und A traten weitaus seltener auf, als es der Zufall vorhersagen würde. Tatsächlich war das C-G-Paar das seltenste aller sechzehn möglichen Kombinationen und machte nur etwa 3,3 Prozent der Gesamtzahl aus. Das U-A-Paar war das zweitseltenste. Im Gegensatz dazu war das Paar U-G das häufigste und trat signifikant öfter auf als erwartet.

Um sicherzustellen, dass diese Ergebnisse nicht nur ein Resultat der Zahlenmenge waren, verwendeten die Wissenschaftler eine rigorose Vergleichsmethode. Sie erstellten zwei verschiedene „Was-wäre-wenn“-Szenarien. In der ersten nahmen sie dieselben microRNA-Sequenzen und vertauschten die Reihenfolge der Buchstaben innerhalb jeder Sequenz, wobei die Gesamtzahl jedes Buchstabens gleich blieb, aber die natürliche Ordnung zerstört wurde. In der zweiten Methode wurden die Buchstaben an jeder spezifischen Position über alle Sequenzen gleicher Länge hinweg durchgemischt. Selbst im Vergleich mit diesen gemischten, zufälligen Versionen zeigten die echten microRNAs immer noch einen deutlichen Mangel an C-G- und U-A-Paaren. Dies bewies, dass die Knappheit dieser Paare ein echtes Merkmal der Moleküle ist und nicht nur ein Nebeneffekt dessen, wie viele der einzelnen Buchstaben vorhanden sind.

Dieses Muster der Knappheit beschränkte sich nicht nur auf die Zwei-Buchstaben-Paare. Die Forscher untersuchten auch Gruppen von drei Buchstaben, bekannt als Trinukleotide. Sie fanden heraus, dass jede Kombination, die ein C-G-Paar oder ein U-A-Paar enthielt, ebenfalls unterrepräsentiert war und seltener auftrat, als die Zufallsmodelle vorhersagten. Dies deutet darauf hin, dass die Regel gegen diese spezifischen Nachbarn über die gesamte Länge der microRNA gilt und nicht nur an einem bestimmten Punkt. Das Ergebnis war konsistent über alle zehn untersuchten Hauptgruppen von Organismen hinweg, von Blütenpflanzen über Nematoden bis hin zu Menschen. Ob der Organismus eine Pflanze oder ein Tier war, die microRNAs vermieden es konsequent, ein C neben ein G oder ein U neben ein A zu platzieren.

Es gab eine interessante Ausnahme, die einer genaueren Untersuchung bedurfte. Während das U-A-Paar insgesamt selten war, bemerkten die Forscher einen kleinen Anstieg seiner Häufigkeit am äußersten Anfang der microRNA-Sequenz. An der ersten Position trat das U-A-Paar häufiger auf als im Rest des Moleküls. Doch als die Wissenschaftler die Tatsache berücksichtigten, dass der erste Buchstabe einer microRNA fast immer ein U ist, verschwand dieser Anstieg. Es stellte sich heraus, dass die hohe Anzahl an U-A-Paaren zu Beginn schlicht darauf zurückzuführen war, dass zu Beginn so viele U's vorhanden waren, und nicht darauf, dass das Molekül eine besondere Vorliebe dafür hatte, ein A direkt nach einem U zu platzieren. Sobald diese anfängliche Zusammensetzung berücksichtigt wurde, war das U-A-Paar überall defizitär, genau wie das C-G-Paar.

Die Studie untersuchte auch, warum diese Muster existieren könnten. Für die fehlenden C-G-Paare liegt eine plausible Erklärung in der Geschichte der DNA-Mutation. In vielen Tieren wird der Buchstabe C oft chemisch modifiziert, was ihn im Laufe der Evolution anfälliger für eine Veränderung in ein T (oder U in der RNA) macht. Wenn ein C-G-Paar in der DNA zu einem U-G-Paar mutiert, würde die resultierende RNA natürlicherweise weniger C-G-Paare und mehr U-G-Paare enthalten. Dies deckt sich mit der Beobachtung der Forscher, dass U-G das häufigste Paar ist, während C-G das seltenste ist. Das Paper stellt jedoch fest, dass dies nur eine Hypothese ist; die Studie hat DNA-Methylierung oder Mutationsraten nicht direkt gemessen, daher bleibt dies eine wahrscheinliche Möglichkeit statt einer bestätigten Ursache.

Der Grund für die Knappheit des U-A-Paares bleibt jedoch ein völliges Rätsel. Die Forscher konnten keinen biologischen Mechanismus finden, der erklärt, warum diese beiden Buchstaben einander meiden. Es ist möglich, dass die Struktur des Moleküls selbst, die Art und Weise, wie es in der Zelle verarbeitet wird, oder die Art und Weise, wie es mit seinen Zielstrukturen interagiert, die U-A-Kombination instabil oder unerwünscht macht. Die Studie hat erfolgreich identifiziert, dass diese Verarmung existiert und universell ist, bleibt aber bei der Erklärung des Warum stehen.

Indem sie eine detaillierte Karte davon erstellt haben, wie Buchstaben in diesen winzigen Regulatoren angeordnet sind, haben die Forscher eine neue Grundlage für das Verständnis der microRNA-Biologie geschaffen. Sie haben gezeigt, dass diese Moleküle nicht bloß zufällige Buchstabenketten sind, sondern mit einer spezifischen, konservierten Architektur aufgebaut sind, die über Millionen von Jahren der Evolution erhalten geblieben ist. Während der volle Grund für diese Architektur noch nicht bekannt ist, bietet die Entdeckung, dass microRNAs universell bestimmte Buchstabenkombinationen vermeiden, einen neuen Hinweis für Wissenschaftler, die versuchen zu verstehen, wie diese kritischen Moleküle funktionieren und evolvieren. Die Arbeit legt nahe, dass die Regeln des Lebens nicht nur in den einzelnen Buchstaben geschrieben sind, sondern in der spezifischen Art und Weise, wie diese Buchstaben nebeneinander liegen dürfen.