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Die Bedeutung des RNA-Spleißens für neurodegenerative Erkrankungen


Beim Morbus Alzheimer spielt das MAPT-Gen auf Chromosom 17 eine wichtige Rolle, denn es kodiert für das Mikrotubulus-Assoziierte Protein Tau, das bei Patienten in phosphorylierter und fibrillärer (aggregierter) Form vorliegt (tangles) und für die Krankheit im Unterschied zum A-beta-Amyloid besonders typisch ist. Wie in meinem Buch über Neurodegeneration im Kapitel 2.3.4 beschrieben, wird die für ein Protein kodierende mRNA in der Regel aus mehreren Exonen zusammengesetzt (s. Abbildung oben). Verschiedene Exon-Kombinationen im MAPT-Gen ergeben insgesamt sechs verschiedene Tau-Versionen (Isoformen). Sie entstehen aus mRNA-Vorstufen, die dem sog. alternativen Spleißen (RNA splicing) unterzogen werden. Dabei handelt es sich um einen Prozess, der sich auf das selektive Ausschneiden von nicht-kodierenden DNA-Sequenzen, den sog. Introns, bezieht. Einige Tau mRNAs weisen auch Exonwiederholungen auf, z.B. von Exon 10 (die 3R-Form von Tau enthält also drei Exon 10-Wiederholungen). Insbesondere über solche tandem repeats aggregieren Tau-Moleküle und lagern sich zu Fibrillen zusammen.


Das RNA-Spleißen wird durch splicing-Faktoren bestimmt. Derartige Proteine sind in den von der Degeneration zuerst betroffenen Nervenzellen oft vermehrt nachweisbar. So findet sich der Spleiß-Faktor PTBP1 besonders in Nervenzellen, die pathologische Tau-Isoformen herstellen und vorzeitig absterben. Das Polypyrimidintrakt-bindende Protein 1 (PTBP1) stellt ein RNA-bindendes Protein dar, das Spleißen reguliert und dadurch die Bildung von Axonen, die Synaptogenese und die neuronale Apoptose beeinflusst. Hochspezialisierte neuronale Funktionen hängen also stark von korrekt gespleißter RNA ab und eine fehlerhafte Regulation des Spleißens kann zu verschiedenen neurodegenerativen Erkrankungen führen.

Fortschritte in der RNA-Sequenzierung haben in den letzten Jahren zur Entdeckung von genetischen Veränderungen geführt, die genau an jenen Stellen lokalisiert sind, wo Spleiß-Faktoren an der Prä-mRNA ansetzen. Solche Aberrationen finden sich beispielsweise in der STMN2-RNA, die für das Protein Stathmin-2 kodiert. Stathmin-2 ist entscheidend an der Regulation des Zytoskeletts und damit an neuronaler Plastizität beteiligt. Es spielt daher eine wichtige Rolle bei der Ausbildung von axonalen Verzweigungen, die für regenerative Prozesse von großer Bedeutung sind. Stathmin-2 wird auch als SCG10 bezeichnet, da es in sympathischen Ganglienzellen stark exprimiert wird.


Die Expression des STMN2-Gens wird durch ein Nukleinsäure bindendes Eiweiß, das TAR-DNA-bindende Protein von 43 kDa (TDP-43), im Zellkern erhöht. TDP-43 ist besonders relevant für die Transkription und das RNA-Spleißen, aber auch für den Transport von RNA. Es wird im Alter vermehrt außerhalb des Zellkerns gefunden und neigt im Zytoplasma zur Aggregation. Diese wird durch Mutationen im TDP-43-Gen verstärkt, das daher mit Erkrankungen wie der amyotrophen Lateralsklerose (ALS), der frontotemporalen Degeneration (FTLD) und neuerdings auch mit dem Morbus Alzheimer in Verbindung gebracht wird. Dabei sind fast alle ALS-Patienten und bis zu der Hälfte der FTLD- und Alzheimer-Patienten von einer fehlerhaften TDP-43-Regulation betroffen.


Der Begriff TDP-43-Proteinopathie bezeichnet demnach neurodegenerative Erkrankungen, die eine Aggregation des DNA- und RNA-bindenden Proteins TDP-43 aufweisen. Der Verlust von TDP-43 im Zellkern führt zu quantitativen Veränderungen von Hunderten RNA-Transkripten, von denen viele fehlerhaft gespleißt sind. Das kann beispielsweise zu einem vorzeitigen Stopp-Codon führen, so dass die entsprechenden Proteine nicht in voller Länge hergestellt werden und somit inaktiv sind. Fehlt TDP-43 beispielsweise im Zellkern von Motoneuronen, wird funktionsfähiges Stathmin-2 nicht mehr in ausreichenden Mengen exprimiert und damit auch nicht bei der axonalen Regeneration, der Mikrotubuli-Stabilität und dem Lysosomen-Transport wirksam.


Die Autoren einer neuen Studie, die in diesem Jahr in Science publiziert wurde, haben nun die TDP-43-Bindungsstelle auf der prä-mRNA von STMN2 in Mäusen im Intron 1 des Stathmin-Gens identifiziert. Die Ausschaltung (Deletion) einer definierten Basen-Sequenz an dieser Stelle führte zu fehlerhaftem Exon-Spleißen, was belegt, dass die TDP-43-Bindung für die Verarbeitung der STMN2-mRNA-Vorstufe und damit für die Produktion von funktionellem Stathmin-2 essentiell ist.


Die genaue Charakterisierung der molekularen Interaktion von STMN2-Prä-mRNA und TDP-43 durch Michael Baughn und Kollegen ermöglicht es nun, dieses fehlerhafte, auch als kryptisch bezeichnete Exon-Spleißen mit antisense-Oligonukelotiden (ASOs) gezielt zu beeinflussen. Dabei handelt es sich um einen vielversprechenden Ansatz zur Modulation der Genexpression, da kurze einzelsträngige DNA-Moleküle selektiv RNA-Transkripte binden (hybridisieren) können und bereits für den klinischen Einsatz bei spinaler Muskelatrophie oder Duchenne-Muskeldystrophie zugelassen sind.


Die Arbeitsgruppe um Don Cleveland entwickelt derzeit eine Vielzahl von ASOs, die auf das kryptische Exon von STMN2 abzielen und damit die blockierende Funktion von TDP-43 übernehmen können. Diese Oligonukleotide stellen die Expression von funktionellem Stathmin-2 in motorischen, TDP-43 defizienten Neuronen wieder her. In Tiermodellen verbesserte sich auch die Axonregeneration und der Stathmin-2-abhängige Lysosomentransport. Somit könnte die Injektion von speziellen ASOs in das Nervenwasser einen therapeutischen Ansatz darstellen, um ausreichende Stathmin-2-Spiegel in Nervenzellen mit defekter Regulation der STMN2-mRNA-Vorstufe wiederherzustellen. Es würde dabei ähnlich verfahren werden wie bei der Therapie der spinalen Muskelatrophie (SMA) durch Korrektur des fehlerhaften Spleißens der prä-mRNA von SMN2.


Referenzen:


Baughn MW, Melamed Ze, López-Erauskin J, …, Lagier-Tourenne C, Cleveland DW (2023) Mechanism of STMN2 cryptic splice-polyadenylation and its correction for TDP-43 proteinopathies. Science 379:1140


O’Brien N, Mizielinska S. (2023) A cryptic clue to neurodegeneration? Science 379:1090


Bildnachweis: iStock/Trinset

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