Dynamik von RNA Modifikationen und deren Auswirkung auf neurologische Erkrankungen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Stefanie Kaiser
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Analytische Chemie ; Pharmazie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 373254728

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ribonukleinsäure (RNA) ist spätestens seit ihrem globalen Einsatz als Impfstoff gegen Covid-19 bekannt. Die schnelle Verfügbarkeit des Impfstoffs beruht auf RNA-Modifikationen, kleine durch Enzyme eingeführte Veränderungen der RNA, welche eine Vielzahl von biologischen Funktionen erfüllen. Im Rahmen meines Emmy Noether Projekts untersuchte ich natürliche RNA-Modifikationen (Epitranskriptom) des Menschen, welche mit neurologischen Erkrankungen in Zusammenhang stehen. Dafür entwickelte ich zunächst Massenspektrometrie-basierte Methoden, um die physiologischen Mengen von RNA-Modifikationen zu bestimmen sowie ihre Dynamik messbar zu machen. Zusammen mit meinem Team habe ich die Enzyme untersucht, welche Modifikationen in tRNA gesunder Menschen einbauen und gleichzeitig bei Patienten mit neurologischen Erberkrankungen fehlen. Gemeinsam mit internationalen Partnern gelang es uns nicht nur das Fehlen der tRNA-Modifikation nachzuweisen sondern auch die zellulären Konsequenzen besser zu verstehen. Obwohl noch nicht abschließend geklärt, haben wir in den meisten Fällen einen Zusammenhang zwischen tRNA Modifikationsverlust und Veränderungen der Eiweißbildung festgestellt. Diese Fehlbildung der Eiweiße ich vermutlich ausschlaggebend für die Erkrankung der Patienten. Im Fall der Alzheimererkrankung konnten wir in Zellkultur zeigen, dass künstlich-hergestellte aber richtig modifizierte tRNA die Fehlbildung der Eiweißbildung verhindert, was einen ersten RNA-basierten Therapieansatz darstellen kann. Insgesamt sind 19 Veröffentlichungen in Bezug auf die biologische Fragestellung des Emmy Noether Projekts entstanden sowie 21 weitere Veröffentlichung, welche die Technologien des Projekts ausnutzten.

Link zum Abschlussbericht

https://doi.org/10.21248/gups.91562

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• TRMT1-Catalyzed tRNA Modifications Are Required for Redox Homeostasis To Ensure Proper Cellular Proliferation and Oxidative Stress Survival. Molecular and Cellular Biology, 37(21).
  Dewe, Joshua M.; Fuller, Benjamin L.; Lentini, Jenna M.; Kellner, Stefanie M. & Fu, Dragony
  
• Benefits of stable isotope labeling in RNA analysis. Biological Chemistry, 400(7), 847-865.
  Asadi-Atoi, Paria; Barraud, Pierre; Tisne, Carine & Kellner, Stefanie
  
• Cytosine-5 RNA methylation links protein synthesis to cell metabolism. PLOS Biology, 17(6), e3000297.
  Gkatza, Nikoletta A.; Castro, Cecilia; Harvey, Robert F.; Heiß, Matthias; Popis, Martyna C.; Blanco, Sandra; Bornelöv, Susanne; Sajini, Abdulrahim A.; Gleeson, Joseph G.; Griffin, Julian L.; West, James A.; Kellner, Stefanie; Willis, Anne E.; Dietmann, Sabine & Frye, Michaela
  
• Formation of tRNA Wobble Inosine in Humans Is Disrupted by a Millennia-Old Mutation Causing Intellectual Disability. Molecular and Cellular Biology, 39(19).
  Ramos, Jillian; Han, Lu; Li, Yan; Hagelskamp, Felix; Kellner, Stefanie M.; Alkuraya, Fowzan S.; Phizicky, Eric M. & Fu, Dragony
  
• Production and Application of Stable Isotope-Labeled Internal Standards for RNA Modification Analysis. Genes, 10(1), 26.
  Borland, Kayla; Diesend, Jan; Ito-Kureha, Taku; Heissmeyer, Vigo; Hammann, Christian; Buck, Amy H.; Michalakis, Stylianos & Kellner, Stefanie
  
• Surpassing limits of static RNA modification analysis with dynamic NAIL-MS. Methods, 156, 91-101.
  Reichle, Valentin F.; Kaiser, Steffen; Heiss, Matthias; Hagelskamp, Felix; Borland, Kayla & Kellner, Stefanie
  
• Time-resolved NMR monitoring of tRNA maturation. Nature Communications, 10(1).
  Barraud, Pierre; Gato, Alexandre; Heiss, Matthias; Catala, Marjorie; Kellner, Stefanie & Tisné, Carine
  
• Broadly applicable oligonucleotide mass spectrometry for the analysis of RNA writers and erasers in vitro. Nucleic Acids Research, 48(7), e41-e41.
  Hagelskamp, Felix; Borland, Kayla; Ramos, Jillian; Hendrick, Alan G.; Fu, Dragony & Kellner, Stefanie
  
• Identification and rescue of a tRNA wobble inosine deficiency causing intellectual disability disorder. RNA, 26(11), 1654-1666.
  Ramos, Jillian; Proven, Melissa; Halvardson, Jonatan; Hagelskamp, Felix; Kuchinskaya, Ekaterina; Phelan, Benjamin; Bell, Ryan; Kellner, Stefanie M.; Feuk, Lars; Thuresson, Ann-Charlotte & Fu, Dragony
  
• Production and purification of endogenously modified tRNA-derived small RNAs. RNA Biology, 17(8), 1104-1115.
  Drino, Aleksej; Oberbauer, Vera; Troger, Conor; Janisiw, Eva; Anrather, Dorothea; Hartl, Markus; Kaiser, Steffen; Kellner, Stefanie & Schaefer, Matthias R.
  
• Sequence- and structure-specific cytosine-5 mRNA methylation by NSUN6. Nucleic Acids Research, 49(2), 1006-1022.
  Selmi, Tommaso; Hussain, Shobbir; Dietmann, Sabine; Heiß, Matthias; Borland, Kayla; Flad, Sophia; Carter, Jean-Michel; Dennison, Rebecca; Huang, Ya-Lin; Kellner, Stefanie; Bornelöv, Susanne & Frye, Michaela
  
• Cell culture NAIL-MS allows insight into human tRNA and rRNA modification dynamics in vivo. Nature Communications, 12(1).
  Heiss, Matthias; Hagelskamp, Felix; Marchand, Virginie; Motorin, Yuri & Kellner, Stefanie
  
• Instrumental analysis of RNA modifications. Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology, 56(2), 178-204.
  Yoluç, Yasemin; Ammann, Gregor; Barraud, Pierre; Jora, Manasses; Limbach, Patrick A.; Motorin, Yuri; Marchand, Virginie; Tisné, Carine; Borland, Kayla & Kellner, Stefanie
  
• Quantification of Modified Nucleosides in the Context of NAIL-MS. Methods in Molecular Biology, 279-306. Springer US.
  Heiss, Matthias; Borland, Kayla; Yoluç, Yasemin & Kellner, Stefanie
  
• The Stress-Dependent Dynamics of Saccharomyces cerevisiae tRNA and rRNA Modification Profiles. Genes, 12(9), 1344.
  Yoluç, Yasemin; van de Logt, Erik & Kellner-Kaiser, Stefanie
  
• Different modification pathways for m1A58 incorporation in yeast elongator and initiator tRNAs. Nucleic Acids Research, 51(19), 10653-10667.
  Yared, Marcel-Joseph; Yoluç, Yasemin; Catala, Marjorie; Tisné, Carine; Kaiser, Stefanie & Barraud, Pierre
  
• Pitfalls in RNA Modification Quantification Using Nucleoside Mass Spectrometry. Accounts of Chemical Research, 56(22), 3121-3131.
  Ammann, Gregor; Berg, Maximilian; Dalwigk, Jan Felix & Kaiser, Stefanie M.
  
• Temporal resolution of NAIL-MS of tRNA, rRNA and Poly-A RNA is overcome by actinomycin D. RSC Chemical Biology, 4(5), 354-362.
  Hagelskamp, Felix; Borland, Kayla; Ammann, Gregor & Kaiser, Stefanie M.
  
• Amyloid pathology reduces ELP3 expression and tRNA modifications leading to impaired proteostasis. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Basis of Disease, 1870(1), 166857.
  Pereira, Marisa; Ribeiro, Diana R.; Berg, Maximilian; Tsai, Andy P.; Dong, Chuanpeng; Nho, Kwangsik; Kaiser, Stefanie; Moutinho, Miguel & Soares, Ana R.